整个过程|张首晟在谷歌演讲:量子计算、人工智能和区块链 中州期货

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张首晟,美籍华人物理学家,美国艺术科学院院士,美国国家科学院院士,中国科学院外籍院士。

张首晟

美籍华裔物理学家张首晟是美国艺术科学院、美国国家科学院院士和中国科学院外籍院士。他目前是斯坦福大学J.G .杰克逊和C.J .伍德的教授,并创办了丹华资本(Danhua Capital),投资美国和中国的前沿科技领域。

本文基于张首晟教授最近在谷歌的主题演讲。

以下是讲话全文:

谢谢大家的光临。我很高兴来到谷歌,我也同样很荣幸被大牙介绍。在此之前,我们已经交流了很长时间,今天我想和你分享一些个人观点。

关于未来的信息技术,包括量子计算、人工智能和区块链。尤其是三者之间的联系。相信学术界很多学者都在研究这几个方面,但我很兴奋有机会参加这次学术会议,因为会议的主要内容是:三者的内在联系。

首先,我想和大家分享一个“老”的新科学发现。

许多科学问题对应着深刻的哲学问题。我们存在于一个对立统一的世界,其中既有正数,也有负数。有贷款有贷款;有阴阳;有好人也有坏人;天使也有恶魔。现实生活中也有相应的道理。

1928年,世界上最著名的理论物理学家之一狄拉克·保罗(Dirac Paul)试图将爱因斯坦的相对论应用于量子力学。在推导数学公式的过程中,他遇到了很多平方根计算。然后我回想起我高中的平方根问题。9的平方根不仅等于3,因为3的平方等于9,-3的平方等于9。所以当你开出一个正数时,你会得到一个正数和一个负数。

狄拉克对通过处方得到的负数相当不解,这对狄拉克产生了深远的影响。他预言世界上所有的物质都有两种形式:正物质和反物质。现在在威斯敏斯特教堂,你还能找到狄拉克公式的手稿。

2012年获得的“保罗·狄拉克奖章”是我的研究工作最值得表彰的。就像我刚才说的,你开一个数,可以得到两个数,一个正数,一个负数,负数的存在是宇宙的一个大规律。也就是说,只要是宇宙中的物质,就一定有反粒子。现在看来,这是一个完全正常的方程。但在1928年,没有反物质的时候,提出这样的理论并不容易。比如当时人们认为电子的反粒子是质量相等但带负电荷的粒子——质子。虽然质子的电荷与电子的电荷相反,但它的质量是电子的2000多倍,所以当时没有人相信他。

但是你猜他说了什么。老子的公式这么先进,你们这些人渣先去练练吧。人家确实去升级了。狄拉克非常幸运。五年后,科学家在观测宇宙辐射(在地球上很难观测到,但存在于宇宙中)时,捕捉到了反粒子,并命名为质量相同但电荷相反的正电子和电子。

我认为这是人类历史上一个伟大的假设。前期的假设很好,后期的结果也很厉害。如今,人类已经将反粒子应用于医疗。比如著名的医学成像技术——正电子发射断层成像(PET)就是利用反粒子理论发展起来的。好莱坞也有很多类似的电影题材,比如广为人知的《达芬奇密码》续集,《天使与魔鬼》(原作者丹·布朗,汤姆·汉克斯主演)的高潮部分就是天使与魔鬼为反物质展开的史诗般的战斗。

反物质在宇宙中随处可见。如果你有反物质或反粒子,灭霸很可能无法抵抗你。但这一切都是建立在一个美好的推论之上的,但是人类的好奇心从来没有停止过。继狄拉克的伟大假设之后,另一位伟大的物理学家进入了我们的视野:Etomaliana。他提出了一个问题:有没有不含反粒子的物质,或者有没有本身就是反物质的物质?他提出假设,写下方程式。但这次他没那么幸运了,没人相信他,没人见过这个公式,他自己也失望了。从此,这个问题成为基础科学中一个未解之谜。

我们有一系列亟待解决的科学问题。比如这个单子上的神粒子和玻色子是什么?幸运的是,上述问题于2012年在日内瓦的一个实验室得到了解答。再比如引力波。引力波的支持者爱因斯坦没有狄拉克幸运。引力波是100年后才发现的,引力波的存在两年前才被证实。这是魔法清单。反物质粒子就在其中。而反物质本身是什么物质之类的问题,也就是玛丽安费米粒子问题,一直在这个列表的最前面。

也许寻找玛丽安费米粒子是科学家们最感兴趣的问题。就像我刚才说的。马里亚纳非常失望,因为没有人相信他。

安娜是意大利人。但他登上从纳皮尔到巴勒莫的渡船后就消失了。这是科学界未解之谜。他消失到今年已经80年了,但是告诉大家一个“好消息”:他不仅消失了,他写的文献也没有找到。这是我今天的重点。他记下了当时的推导公式,但没有告诉任何人公式放在哪里。这就是为什么我们花了80年寻找它,但我们在斯坦福的研究小组提出了在哪里以及如何找到这些粒子。

2010-2015年,我们组写了三篇论文。第一个是准确预测粒子的位置。令我们惊讶的是,粒子并不在大型粒子加速器中,而是在一个普通的半导体器件中。我之前介绍过,我们组十年前发现的一种物质叫拓扑绝缘体,里面放了一些磁性掺杂剂。拓扑绝缘体的材料是一些常见的绝缘体,而磁性掺杂剂是铬。这样,两种物体的表面就会形成一个超导体。我们认为在这些条件下,玛丽安费米粒子是可以被俘获的,但仅此还不够。我们不仅要找到粒子存在的地方,还要找到要测量的物理量。幸运的是,常识帮助了我们。一般来说,粒子有两面,就像硬币的两面一样,有正、负、正、反粒子。但是玛丽安费米粒子只有一种粒子:只有正粒子,没有负粒子。他就是传说中的半粒子,所以这个半粒子的概念在我接下来的量子计算的讲座中会极其重要。

好吧,反正玛丽安费米粒子是普通粒子的半粒子,普通粒子有一定的导电性或传导率。一般这种电导率可以用量子能量极化,说明零能级、一能级、二能级的普通粒子的能级都是离散整数。所以,如果玛丽安费米粒子是半粒子,它的能级特征应该是普通能级的1/2能级和3/2能级。所以在半粒子系统中,可以测量电导率,但必须在半能级位置测量。

去年,在加州大学洛杉矶分校同事的合作下,他们把我们的理论模型变成了现实。在理论研究的基础上,测量了玛丽安非粒子的能量。在一两个整数能级中间,会有一个半能级。1/2能级是玛丽安费米粒子是半粒子的关键证据,是普通粒子的整数能级。玛丽安·费米的半步能级发表在去年的《科学》杂志上,我们庆祝得很好。

在那个激动人心的时刻,我想起了我看过的电影——天使和恶魔。我想我们在天堂只发现了天使,没有发现恶魔,所以我们把这个粒子叫做天使粒子。那么说这么多有什么用呢?传统的电脑都挺厉害的,但是擅长的不全面。我把两个超级大的数字交给电脑加法,他几秒钟就数完了。比如谷歌云,速度超级快。但是如果你给电脑一个数字,让她产生两个相关的数字。例如,15等于5×3,但11不能。你可能会说11等于1×11,但这说不通。如果给定一个超超超大的数,可以分解成两个相关的数,像15,或者像11,不能分解,传统的计算机怕被圈起来。唯一的办法就是大规模搜索,从2到永远。

那么电脑操作最大的问题是什么呢?像Google Cloud这样的计算,本质上是一个寻找最优解的过程。当机器寻求最优解时,它会搜索所有的可能性,包括寻找最短路径。这个过程要花很多时间做优化搜索,会消耗很多时间。这就是为什么计算机需要不断更新和迭代。

让我们进入量子世界,看看量子世界的秘密是什么。假设屏幕上有一对双缝。我用普通手枪射出双缝子弹。要么通过左边,要么通过右边的缝隙。你会看到屏幕后面有两个弹孔,一个在左边,一个在右边。但是如果你试图通过双缝射出两个基本粒子,情况就不一样了。我们身后看到的不是左右弹孔,而是复杂的干涉图案。当两个粒子同时通过双狭缝时,产生干涉图样,同时通过左右狭缝。如果它们不同时通过,就不会发生干扰。所以量子世界是一个平行世界:两个粒子同时通过两个间隙。

刚才很多人都在思考这个问题。传统计算机解决复杂问题的能力,也许你可以用量子计算机同时搜索所有可能的答案。也就是说,理论上,电脑可以同时搜索所有可能的答案,然后立即为你计算答案,可以这么快提高电脑的计算能力。想想真是太刺激了!


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