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量子计算机如何重塑人类未来生活

已有 2598 次阅读 2020-9-2 17:34 |系统分类:科普集锦

量子计算机如何重塑人类未来生活


高建国


你可能无法想象,一篇自20191023日在《自然》发表上线以来就被引505(截止到20205月底)的论文到底是什么类型的论文。即使对于《自然》这样的顶级科技期刊,发表的论文中能在短时间内受到如此之多关注的文章数也是不多的。


这篇热度极高的论文就是描述谷歌量子计算机Sycamore强大计算能力的研究报告。谷歌量子人工智能实验室(Quantum Artificial Intelligence Lab)的科学家Frank等声称Sycamore仅花200秒完成的计算工作量,世界上最强大的传统计算机则需要10000年。虽然IBM的科学家后来通过算法改进发现不是10000年,而是2.5天,但这个结果对量子领域的科学家而言依然意义重大,它非常直观地展现了量子优越性(Quantum Supremacy)”


Sycamore或许宣称了人类已经进入了量子计算的时代。那么,量子计算机将会如何改变或重塑人类未来的生活呢?本文将从以下十个方面描述量子计算机如何改变人们生活的。


图1. Quantum Supremacy Is Coming. Credit, Graham Carlow.jpg

1. 谷歌的量子计算机——Sycamore,为了减少噪音干扰保证准确率,Sycamore需要在接近绝对零度(-273.15°C)的环境中运行. (图片来源: Graham Carlow.


1. 瞬移


由于量子力学的基本规律或属性,如量子叠加态(quantum superposition),即一个量子系统可以处在不同的叠加态,著名的薛定谔的猫就形象地表述为一只猫可以同时既是活的又是死的;而量子纠缠是指两个微观粒子处于纠缠态,不论它们的距离有多远,对其中一个粒子的状态做任何改变,另一个会立刻感受到,并做相应改变。因此,可以根据量子的纠缠特性实现任意距离的旅行。不过,如果人需要通过量子纠缠态的形式实现瞬移,那么这个人可能需要即是着,同时处于的状态。目前死亡依然是很多文化的禁忌,医学上也不存在一个即是死了也是活着的人,人死不能复生是千年不变的规律。但在量子的世界,每个人都可以成为孙悟空,不仅不惧生死,也能到达任何地方旅行。


当然,目前我们对生死的认知基本上延续了过去数千年的生老病死观。根据神经生物学家大卫·伊戈曼对人脑工作原理的理解,在未来我们或能自由下载或上传我们的感知(包括任何情感、知识等)到任何一台服务器,那么人类的延续或能彻底脱离肉身变成电子或量子态的形式。果真如此,人类的生死观将会被彻底改变,瞬移将会变成我们日常的一部分,就像孙悟空那样。民间有句俗语:光脚的不怕穿鞋的,不要命的不怕光脚的。当一个人为了做成某事可以不要命,那么不管这件事有多难达成,也最终不会有太差的结果。英国诗人迪伦·托马斯(Dylan Thomas)也有一句类似的名言死亡也并非是所向披靡,或许唯有此,人类才能实现瞬移、甚至穿越。


2. 量子药物设计


前段时间,麻省理工学院的科学家用深度学习模型发现了新型抗生素分子——halicinhalicin可以对抗多种细菌,展示了前所未有的广谱抗菌能力,这是人类首次完全使用人工智能的方法发现的新型抗生素。但发现halicin的过程是漫长而复杂的,科学家用到了 2335个已知具有抗菌活性的分子,包括大约 300种已获批的抗生素和 800种从植物、动物和微生物中得到的天然产物,最终通过一个深度神经网络模型才筛选出来。而这一过程如果能在量子计算机上完成可能是瞬间的事情。


药物设计往往面临的最大挑战是新型病原菌的变异速度远远超过药物设计速度,这是导致很多正处于研发阶段的药物被迫终止研发的原因之一。以这次肆虐全球的新冠疫情COVID-19为例,导致高传染、高致死的新型冠状病毒(SARS-CoV-2)其本质上也是一冠状病毒科冠状病毒属(Coronavirus)的普通病毒,与2003年导致SARS疫情的病毒差别很小,那么为什么我们不能使用之前的药物或疫苗来对付它呢?原因是,我们之前的药物药效的发挥都有特定的病毒结合位点,当这些结合位点改变时,药物将不再起作用。病毒的变异是非常快的,一个蛋白质外壳或DNA/RNA链上一个碱基的改变都会使其转变成新的毒株。以这次SARS-CoV-2为例,它在短短的几个月的时间就至少变异出北美、亚洲和欧洲三种类型,让人防不胜防。如果使用量子计算机,我们或能根据病毒在不同人群中的传播途径,精准预测它们的变异方向并提前设计出特效药。


3. 量子解密


现在比较火热的量子密码学是一门拟通过量子计算机强大的计算能力进行加密/解密的新兴学科。在密码学领域,著名的RSA加密算法(RSA以三位发明者的姓氏首字母命名)是一种十分可靠的加密技术,只要其密钥的长度足够长,用RSA加密的信息曾被认为是不能被解破的。作为一种非对称加密算法,据称,世界上还没有任何可靠的攻击RSA算法的方式。但该神话已被量子计算机打破。确实,破解1024位长的RSA算法,传统的计算机可能需要几十万年,而用一台512量子比特(qubits)的量子计算机理论上可以做到1秒破解。


随着密钥位长的增加,破解难度急速增加。不少计算机科学家认为传统计算机几乎不可能破解出大于2048位长的RSA加密内容,而2048位是RSA加密最常用的基础形式。但是,谷歌的科学家于2019发表的一个研究结果显示,使用量子计算机仅用8小时就破解了2048位长的RSA加密信息,这个运算量对于超级计算机则需要80年!


怪不得有人戏称,我们现在使用的计算机在量子计算机面前,充其量只是个算盘。可以说,当今世界的加密算法在量子计算机面前没有秘密可言。不过,量子解密所破解的并非量子世界的密码。道高一尺魔高一丈,与量子解密这杆锋利的相抗衡的是量子加密这面厚实的。世界上几乎所有远见的国家都在积极展开量子加密/解密的研究,科学家们夜以继日正在展开激烈的角逐。毫无疑问,谁先掌握量子加密/解密的技术,谁就拥有至高无上的量子霸权


4. 物种分类


看了前三个惊心动魄的量子争夺战实例,你或许觉得使用量子计算机进行物种分类不就是大材小用了。非也。事实上,物种分类也是大科学”(big science),它与人类的登月计划、基因组计划或现在进行的如火如荼的火星探索计划一样,都属于大科学范畴。


传统的植物分类确实可能需要的只是一根笔、一张纸或一杆登山杆,但现在我们早已进入基因时代,一个物种的系统演化位置不应该仅由其形态学上的特征决定,还应包括其遗传序列、表型、蛋白表达等其他生理生化的信息。现在的问题是,当分子结果与传统形态分类系统相冲突,大多数科学家(包括分子生物学家)都会站在经典形态学这方,可见我们对分类或物种的了解是多么的有限。通过量子计算机整合基因组、转录组、蛋白质组、代谢组和表型组的多套数据重新定义一个物种可能是未来的研究重点和难点。


遗憾的是,即使目前,科学家依然不能确定地球上到底有多少物种,据估计物种的数量介于500万到5000万。如此之多的动物、植物、真菌、细菌和病毒,它们的关系到底是什么,它们到底存在怎样的演化关系一直悬而未解。这些基础科学难题或能通过量子计算机找到一些答案。


5. 天气预报


业界流行的一句话天气预报是世界难题,这点在过去没有计算机的年代,一直到现在我们有超级计算机做大量运算的时代一直是成立的。如果你想知道未来一周的天气情况,天气预报还是比较可靠的,准确率有80%之多;如果时间缩短到5天,准确率可高达90%;而未来3天或以内的天气几乎是100%的预报准确率。但这样的准确率不是通过天数的增减可以线性推演的,当想预测10天后的天气,准确率不会降到65%,而是50%或更低;当想预测一个月以后的天气状况时,即使使用世界上最强大的计算机也变得几乎不可能。中央气象台台长毕宝贵认为,天气预报看似简单,实际是一个浩大的系统工程,里面牵涉到大量的运算。预报的每个环节都存在某些不确定性,当这些不确定性叠加在一起是就会使预报结果变得没有意义。天气预报不准,从本质上讲是我们对地球天气系统的认知还十分有限,另外一个原因是算力不够。如果使用量子计算机或能大幅提高对天气系统的实时测算,进而大幅提高预报准确率和延长预报天数。以台风预报为例,我们现在虽能相对准确地预测台风的路径,但对台风强度的预测能力相当有限,而有时台风强度可能是更有意义的天气参数。


6. 量子自动驾驶


多年前科研工作者就在试验环境中实现了自动驾驶,但是直到现在,完全自动驾驶汽车也未普及,主要原因之一是人们对其安全性的顾虑。


驾驶的安全性本质上是技术上的安全性。如果我们对每个街道转角、每寸道路状况、每时每刻周遭的人流和车流都能精确测量,我们就能做到技术上的安全。一个安全和舒适的驾驶场景包含的要素有天气、街道和路面环境、人流和物流等,而对这些要素同时进行测量和运算是需要消耗大量算力资源的。如果在汽车上配备了一台量子计算机,这些问题便可能迎刃而解。未来,使用量子自动驾驶技术,在小区停车时,你可以精确控制汽车之间间隔,比如,停在间隔3.14 厘米处,这貌似是强迫症的福音。当然,量子自动驾驶最大的好处就是有可能达到零交通事故。考虑到全球每年数以百万计的人死于交通事故,量子自动驾驶或许是迫使人们加速研发量子计算机的强劲驱动力。


7. 量子辅助设计


当下,即使对于一个训练有素的设计师,依然需要进行一系列的设计流程,如作画底稿、渲染和无止尽的反复修改。未来的量子辅助设计将重新定义设计师,重新定义设计这个行业。


量子计算辅助设计需要通过某种电极联接人脑或量子计算机,将人脑所想画面呈现于屏幕上,然后通过一些简单的选择,即可完成达到专业水准的设计,即所想即所见、所见即所得。不管你是否掌握设计作图软件,每个人都有可能成为顶级设计师。


8. 量子机器人


机器人在未来的半个世纪或100年可能会彻底重塑人类社会,这是被很多人工智能专家和未来学家所推崇的观点。机器人可以帮助人们完成很多人类不愿从事或根本无法完成的工作,如清理核废料垃圾,作为先遣队在火星上搭建人类居所,潜入10000米的深海采集岩石标本,等等。目前人们已经使用的机器人,从本质上来讲是机器,离的概念还有很远。如,目前虽然有一些机器人管家、机器人保姆或机器人伴侣在服务人类,但它们从本质上来讲只是完成了一个人(既是生物人也是社会人)所能完成的部分工作。如果说未来的人工智能能够在某些方面使机器变得像人类,那么量子计算机则能使这个机器人变得活灵活现古灵精怪,变成一个有趣的人、一个脱离低级趣味的人、一个纯粹的人。至此,人与机器人的界线将变得模糊。


9. 量子财务管理


人生总少不了坎坷,几乎每个人都遇到过财务问题,有人甚至会遭遇个人或家庭的财务危机,有时可能并不是挣的少或花的多,而是运气不好或没能抵制住商家的诱惑而过度消费。回想过去的一年,你到底花了多少钱买了多少几乎从来没有用过的东西?


量入为出是一种优良的财务管理策略,它一方面提示我们要尽量增加收入、合理投资,另一方面提示我们尽可能减少开支、避免浪费。那么,该如何快速的增加收入呢?你可能会想到买彩票、买股票和买基金,也许你会想:要是有了量子计算机,就可以准确地预测股票走势,算出彩票中奖号码和押对有潜力的基金,迅速实现财务自由;通过手机内嵌的量子财务软件可以回绝商家的推荐,避免过度消费。但这只是一厢情愿的假想,因为这是使用量子世界的算力资源攫取当今物理世界的财富,这种以高技术打低技术的做法可能只存在科幻世界里,在未来的量子世界必然会进化出量子基金”“量子彩票”“量子股票量子推荐,最终变成一个协同演变的绝佳案例,本质上类似军备竞赛,个人依然不可能从其所处时代的技术环境中轻易获得大量财富。


如果尺度从个人扩大到整个人类社会,量子计算机是否能够帮助人类避免金融危机呢?人类社会的经济系统是个巨复杂网络,金融体系是牵一发而动全身,系统的各个因素相互关联、制约和影响,扰动其中一个因素,就可能会产生无法预计的后果。例如2008年所发生的金融危机,仅仅由于一家金融公司的破产,就产生了连锁反应,引发了一场席卷全球的金融风暴。因此,处理任何复杂系统,如人类的经济系统需要关注极其庞大的信息。


预测一个巨复杂系统的走向,需要同时运算海量的各类变量和参数。例如,一家不起眼的小公司的人事调整,可能影响整个金融系统的稳定性,这点在经典的经济学模型中可能是被省略的变量,但它会保留在量子计算机模型中,进而测算出金融风暴发生的概率,做到未雨绸缪。虽然量子计算机不知道一家金融公司的人事调整对整个经济系统有多少影响,但这些信息始终是保留在量子计算机的模型中而不被浪费掉的。既然预测金融风暴时不会浪费信息,那么即使我们掌握的初始信息较少,它也可能比较准确地测算出危机的概率,这点与经典计算机或传统经济学模型有很大的不同,传统经济学模型初始信息不多,又会浪费很多信息,最终导致预测的结果与实际偏差极大。


10. 重构演化历程


一个简化版的人类终极三连问是我是谁,我从哪里来,我要到哪里去。人之所以能够成为地球上最特别的一个物种,与我们不断地刨根问底有很大的关系。某种意义上讲,对所有的自然和非自然现象的好奇与探索塑造了我们人类自身。追根问底不是历史学家、考古学家、人类学家、演化生物学家的责任,它是我们每个人的天性。考古学家帮助我们认祖归宗、获得文化上的认同感;人类学家通过对远古原始人遗迹挖掘不断推进智人的起源时间;演化生物学家甚至能根据一片贝壳包含的科学信息,解构地球亿万年前的情景。比如,南京大学的古生物学家沈树忠及其团队收集了大量的地层剖面和化石记录,从中遴选了3112个地层剖面、11268个海洋化石物种的26万化石数据,重建了古生代(距今约5.4亿-2.4亿年)海洋生物多样性曲线,并利用天河二号超级计算机的强大算力,获得了全新的寒武纪-三叠纪海洋生物的多样性变化曲线,其统计时间分辨率约为2.6万年。不错,你没有看错,时间分辨率是2.6万年,不是2.6年,更不是2.6天。即,我们对远古时期地球生物多样性的认识是相当粗糙的,主要原因之一是算力不够。如果使用量子计算机我们或能建立时间分辨率为年、甚至天级别的地球历史。


重现地球生物物种数量的精细变化是古生物学家孜孜以求的目标,但这个目标目前来看如此宏伟以至于短期都不大可能实现,更遑论结合气候变量(如温度、太阳辐射和降水)重现生物演化的浩瀚历程了。人类对显生宙(5.44亿年前的寒武纪开始)大气二氧化碳(CO2)和氧气(O2)浓度变化的认识还是相当粗糙的,大多数科学家使用的还是1000万年分别率的数据,即假定某个1000万年的大气气体成分浓度不变,这显然是不合理的。使用量子计算机的强大算力(远远超过天河二号”),未来的科学家或能精细刻画”“”“甚至小时级别的远古气候参数,结合生物学数据,届时我们才能重构或还原一个真实的地球生命演化历程。诚如丘吉尔所言,你能看到多远的过去,就能看到多远的未来,了解过去的生命演化历程或能提供人类未来命运的洞见,其意义非凡!


以上列举的仅仅是量子计算机改变我们日常生活、科学和认知的若干方面,量子计算机同样必然深刻影响我们的农业、教育、心理、可持续城市建设、超导体与新材料设计和人类自身的演化趋势。例如,美国国家科学院在2019年发布的农业现今技术展望中明确提出,发展量子技术并应用于农作物产量提升和农田管理。


爱因斯坦曾经说过,上帝是不掷骰子的,这表达了他对量子规律的质疑和量子世界的不理解。量子科学后来的发展不仅证明了爱因斯坦是错的,也远超量子先驱科学家的设想。特别是近年来中国和美国的科学家在量子通讯取得的系列进展,使得量子科学于本世纪应用于大众生活变得并不遥远。从20165qubits的计算机到2019年的53qubitsSycamore,人类仅花了3年就把量子计算机的存储提升了10倍之多,未来的提升速度可能会更快。人类正在加速研究或设计具有实际应用价值的量子计算机。正如电灯泡不是蜡烛的加强版一样,无论多么强大的经典计算机都不能与量子计算机相提并论。未来的某一天,当我们在一台量子计算机上写作、做数据分析和开视频会议的时候,我们可能根本无法想象它是如何深刻地重塑了我们的生活。


量子计算机到底能给我们带来什么?它到底如何塑造我们的生活?我们可能压根无法基于当下的认知进行预测。但有一点是肯定的,从量子计算发展的历史得到的经验是:我们永远都不确定量子科学上的发现,会将人类带向何方。


本文已发表在20209月份上期的《百科知识》。


       PDF文件: 量子计算机如何重塑人类未来.pdf



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