张首晟生前演讲及PPT:量子计算、人工智能和区块链



张首晟(1963年2月15日-2018年12月1日)

张守晟这篇演讲在多个场合都讲过,这里的文本来自华尔街见闻网知乎专栏。PPT来自微信群。

深切缅怀!

量子计算


很多比较有意思的科学发现都跟哲学观念的改变有所关联,最根深蒂固的哲学观念就是中华民族的古老哲学上已经体现出来,好像世界是从来都是正负对立的世界观,「有正数必有负数,有存款必有贷款,有阴必有阳,有善必有恶,有天使必有魔鬼」。所以这种对立的世界观在基本粒子的物理世界里面也有一种呈现。


曾经有一位非常伟大的理论物理学家狄拉克,他跟爱因斯坦、杨振宁是我认为20世纪做出最伟大贡献的三位物理学家,他把爱因斯坦的狭义相对论和量子力学统一起来,在统一的过程中他要做一个非常简单的数学运算,就是开一个根号。在开根号的时候始终会出现正负两个解,一般人可能只关心正解,不关心负解。但是狄拉克很聪明,他把负解解释成所有的粒子必然有反粒子。这些本来是负能的解,大家觉得非常奇怪,为什么粒子可能有负能,他就把负能的解释为所有的基本粒子有粒子必然有反粒子。他当时这个是非常惊人的预言,1928年的时候并没有发现有反粒子的现象,大家都对他提出非常大的质疑,说他这个方程肯定不对,在世界上肯定没有看到反粒子。他说我的方程实在是太美了,你们继续去寻找。


过了5年,他也是非常幸运,果然在宇宙辐射的射线里面,大家找到了电子的反粒子,就是正粒子,命名为狄拉克海。从此之后基本粒子物理了有质子找到了反质子,有中子也找到了反中子。


比如正电子对生活当中医疗领域里面已经有广泛的应用,有一种医疗测试叫PET,就是用正电子的产生,和正电子和负电子可以成像,比如我们要测阿兹海默症,最好的办法就是做PET。


最近好莱坞对科学前沿发展非常感兴趣,所以有些好莱坞大片都是跟科学发现有关。大家可能都看过一个电影叫《达芬奇密码》,有一个系列片叫《天使与魔鬼》,讲的就是有天使必然有魔鬼,有粒子必然有反粒子。恐怖分子到欧洲的实验加速器里面偷出来一百万分之一克的反粒子就可以做成炸弹,它的威力相当于4吨TNT的威力,这是人类能量储存密度最高的办法。


但是科学的发展,今天中国对科学发展非常关心,可能大家会问我科学发展最大的驱动力是什么?我会毫无疑问地回答这是一种好奇心的驱动。这些理论物理学家,像牛顿就是在苹果树底下哪一天苹果掉下来激发了他的灵感,万有引力就发现了。爱因斯坦在坐电梯的时候感觉到电梯的上下和引力的作用非常相似,由此创造了伟大的广义相对论。

当时狄拉克成为非常有名的理论物理学家,并且大家都非常坚信在世界上有粒子,必然有反粒子。但是出来另外一位理论物理学家他完全出于好奇心,他问世界上会不会有一些粒子并没有反粒子?他果然有找到了一个方程,现在叫Majorana方程,这个方程也是奇妙地描写了有一种粒子没有反粒子,或者它自己就是自己的反粒子。他的文章发表之后没人理他,因为所有的反粒子都找到了,所以他没有像狄拉克那么幸运,他也感到自己的人生非常失落,在意大利的一个港口城市上了渡轮,本来想去西西里岛,但是他从来没有下过。这个就成了整个物理学的两个大迷,一个是粒子有没有存在,我们称它为Majorana费米子,它是没有反粒子,只有它自己一种或者它自己就是自己的反粒子。另外就是Majorana本人也是非常大的迷,他好像泄露天机之后就被天使叫去了。


在整个物理学界有一个梦寐以求的名单,大家都想梦寐以求地寻找,大家可能听说过有一个粒子叫上帝粒子,2012年在欧洲的加速器被找到,预言它的那位物理学家希格斯也得了诺奖。我们前年找到了引力波,也是爱因斯坦100年前预言的现象。另外我们也想找磁单级等。在这份梦寐以求的名单中,Majorana费米子的确是大家梦寐以求的名单,但整整找了80年。


我是做理论工作的,我现在经常要接待很多国内的访问团来到斯坦福大学,都说张教授我想参观一下你的实验室,我会告诉大家我的实验室就是一张纸和一根笔,但是我非常自豪。理论物理学家会作出预言,让实验物理学家来测试。我的实验小组在2010年的时候就预言了在哪个系统里面会找到这样一个神奇的粒子,我们预言在这么一个组合型的器件里面可以找到Majorana费米子。就是找到也没有用,就是系统有也不是完全有用,一定要告诉我们怎样是一个信号真正说明这种神奇粒子的存在。任何一个例子,没有人可以肉眼观测到,我们总是要找到一个信号,什么信号能够证明这种粒子的存在,也要进一步的灵感。


有一天,我想既然基本的粒子有两种,有正面有反面,就像硬币有正面有反面,但是Majorana粒子只有一面,没有反面,所以在某种意义上它是通常粒子的一半。但是通常粒子在电导是台阶性的量子化,要不是0,要不是1,要不是2等等。所以我们理论小组做了大胆的预言,既然Majorana粒子跟通常粒子不一样,所以在某种意义上它只是通常粒子的一半。所以它的电导率,通常的粒子电导率是0、1、2、3整数倍的,它必然会导致半整数倍的电导台阶。大家在这个图上可以看到,通常有0和1,这是我们一张理论预言的图,它会有0.5或1/2的台阶。


后来我们理论小组就和实验小组做了一个紧密的合作,实验小组来自UCLA、UC DavisUC Irvine,他们就做了这么一个实验观察,的确在0.5的地方,大家可以看到的确是实验的原始图案,在0.5的地方出现了台阶,铁证如山地证明了Majorana粒米子的存在。


在这个激动人心的时刻,去年7月份的时候,我们准备向全世界宣布这个激动人心的发现,我又来了一个灵感,想到当时有天使必然有魔鬼,好像我们找到了一个世界只有天使没有魔鬼,只有正没有负,所以我们取名为“天使粒子”,大家非常喜欢这个名字。两周以前,在美国物理学会召开了一个每年最大的会议,邀请我作一个主题报告,就是在引力波发现的第二个我作了“天使粒子”发现的报告,差不多有好几千人参加,大家觉得是物理学里面非常振奋人心的发现。


但是这跟IT峰会有什么关系?IT峰会最关心的是计算机,计算机已经分成两类了,有经典计算机和量子计算机。有些问题经典计算机就很容易解决,比如把两个大的数乘起来,经典计算机可以算得很快。但是一个数看能不能拆成另外两个数的乘积,比如15可以写成3乘以5,这个数比较小的话你自己也可以算出来。但是给你一个很大的数,经典的计算机要算这个数到底是不是两个数的乘积需要花很长的时间,因为它用的算法是穷举法,把所有可能被除的数一个个除过来,最后才能确认这到底是不是两个数的乘积,经典计算机算起来非常慢。


今天人工智能要做的事情,整个人类所有计算的事情最终能转化为优化的问题,很多的可能性,我们要找到最佳的可能性,经典计算机只能用穷举法,最后才算出一个答案。但是量子世界是非常神奇的世界,是平行的世界。比如一个著名的试验,如果我放出一个粒子,比如光子,它有两个孔,要不是左边,要不是右边。比如我打一个炮弹过去的话,要不就是从左边穿过,要不就是从右边穿过,不可能同一个时间既穿过左边,又穿过右边。但是量子世界有一种本真的平行在里面,一个基本粒子在某一个瞬间同时穿过了两个孔,只有这种行为才能解释在后面形成的干扰条纹。假定要么是左,要么是右的话,看起来的图像就不是这个显示的图像。量子的世界本身就是平行的。如果用量子世界来做计算的话就能够秒算,把所有的可能性一下子算出来,因为量子世界有它本真的平行性,这是量子计算最基本的概念。


但是要真正造出这个量子计算机是非常困难的,比如最基本的单位,经典计算机最基本的单位是比特,就是信息要不是0就是1,用0、1就能够表达所有的信息,这是经典计算机的概念。但是在量子世界里面,一个粒子同时穿过左孔,又穿过右孔,处在某一种叠加的状态。一个量子比特讲不请是0还是1,它是处在0和1叠加的状态里面。大家听一个比喻,薛定谔猫就处在死和活的叠加状态里面。这是一种非常奇妙的现象。但是由于这种基本的现象,说明一个量子的比特本身是不太稳定的,你去观察一下周围就知道它要不就是在左边,要不就是在右边,要不是0,要不就是1,任何一个噪声就会对量子比特产生很大的干扰。

最近量子计算机成为全球和美国著名公司特别关注的,谷歌也在这方面做投资,微软也在做投资,IBM也在做投资,因特尔也在做投资,但是根本上不能解决这个问题,一个量子比特是非常不稳定的,如果哪天告诉我们做了50量子比特,但是关键的问题是有用的比特是多少,如果只有一个有用的比特,往往在这种量子计算的框架下需要10个、20个甚至40个、50个纠错的比特来为它服务,使得量子计算很难真正实现。


但是天使粒子的发现根本改变了,这是量变到质变的过程,并不是把量子比特做得越多越好,量子比特本身自带纠错的能力,就是我把通常一个量子比特能够拆分成两个天使粒子的。

我刚才一直在讲基本的概念,通常的粒子有两面,天使粒子只有一面,所以天使粒子通常只相当于一个粒子的一半。所以通常一个量子比特就可以用两个天使粒子来储存它。一旦用了两个粒子储存它,它们在遥远的地方,它们相互是有纠缠的。但是在经典世界里面的噪音,它们相互之间是没有纠缠的,这样的话就没法用噪声来破坏由天使粒子所储存的量子,所以这是一个革命性的改变。所以我在两周之前在美国物理学会作的演讲,首先天使粒子的发现是激动人心的发现,但是用量子做量子计算机是多少比特就多少比特,不用附加纠错的比特,自带纠错功能,这会对量子计算达到突飞猛进的发现。

人工智能


我接下来跟大家分享一下人工智能,人工智能也是一个基本概念,60年代就已经提出来。之所以今天人工智能能够有突飞猛进的发展,主要是三个大的潮流的汇总。根据摩尔定律的迭代,每过18个月能够翻倍,如果用量子计算的话,不只是按摩尔定律18个月翻倍,而是完全从量变到质变的,我们的计算能力在不断增长,和过去40年差不多。另外互联网和物联网的产生,造成大量的大数据,大数据又是帮机器能够真正学习,再好的算法,再powerful的计算机没有数据的话不能达成最佳的人工智能,另外也有智能算法的发现,并且有突飞猛进的变化。


但是整个人工智能,大家虽然看到它突飞猛进在改变,但是我觉得还是处在非常早期,它今后的前景还是非常广阔。为什么这么讲呢?做一个简单的类比,比如我们曾经看到鸟飞,人也非常想飞,但是早期学习飞行只是简单的仿生,我们在自己的手臂上绑上翅膀。但这是简单的仿生,但真正达到飞行的境界是由于我们理解了飞行的第一性原理就是空气动力学,有了数学原理和数学方程之后就可以人为设计最佳的飞行,就是现在的飞机飞得又高又快又好,但是并不像鸟,这是非常核心的一点。可能现在人工智能是在简单地模仿人的神经元,但是我们更应该思考的,在这里面有一个基础科学重大突破的机会,就是我们真正去理解那个智慧和智能的基本原理,基本的数学原理,这样真正能够使人工智能有突飞猛进的变化。


另外大家经常问的到底用什么样的判据能够真正衡量人工智能达到人的标准?大家可能听说过「图灵测试」,图灵测试是说人跟机器对话,但是我们不知道大在背面到底是人还是机器。整个对话的过程中,你如果花了一天的时间根本感觉不出来,那就是说机器人好像已经达到人的水平。我是不太赞同,虽然图灵是一个伟大的计算机科学家,但是我并不赞同这个判决。人也是进化的过程,人的很多情感并不是理性的情感,要让一个理性的机器学一个非理性的人的大脑可能并不是那么容易,比如你可能故意激怒机器人的话,说不定它也不怎么会理你。


所以我想提出一个新的判据,机器怎么说哪一天真正超越人的智力?人最伟大的一点就是我们能够做科学的发现,最好的判据就是哪一天机器人真能够做科学的发现,人更好地知道科学发现,那一天机器就超过人了。

最近我在人工智能里面写了一篇文章,将会在美国的科学院杂志上发表,题目叫“Atom2Vec”,人类最伟大的科学发现之一,有相对论、量子力学,在化学里面最伟大的发现就是元素周期表的发现。今天的机器假定我们根本不知道元素周期表这件事情,今天的机器在没有任何辅导的情况下,他自己能不能自动发现元素周期表?我们输入的就是所有存在的科学元素的名字,把这些化合物的名字输入这个算法里面,结果这个机器自然地发现了元素周期表,它可以做出人类认为最伟大的科学发现。然后我们这个程序可以帮助我们发现新药,也可以用机器学习的办法发现新的材料。

区块链

这一部分文本来自知乎


接下来我会再跟大家分享我最后一个题目区块链,人工智能在突飞猛进发展,但是人工智能最缺少的是数据,恰恰今天数据是处在完全中心垄断的状态里面,不能帮助机器合理地学习。大家听说在一个星期之前Facebook很多个人的数据被盗一样,至少在没有被允许下就用。在今天的世界个人会产生出很多的数据,「个人的基因数据」、「医疗数据」、「教育数据」、「行为数据」等。但是很多这些数据都是掌握在中心机构里面,没有达到真正的去中心化。但是区块链的产生就是能够产生一个数据市场。「所以我理想的世界,未来每人拥有自己所有的数据,这是完全去中心化的储存,这样黑客也不可能黑每个人的数据。然后用一些加密的算法在区块链上真正能够达到既保护个人的隐私,又能够做出良好的计算。」


互联网在人类沟通中作为通信工具提供了巨大价值,但之后我们不得不在互联网上交换价值。但无论何时我们通过互联网交换价值,但我们都必须同意价值交换标准。但最重要的是互联网发展的下个阶段,可能会进入金融领域等等。

经济的本质是对于价值物的判断存在共识。我们之前使用的黄金,是因为和苹果相比,作为交换的媒介,每个人都能认同一盎司黄金的价值。我们能用位置测量来决定它的内容和质量,但我们很难这样测量一个苹果,因为苹果的种类太多了,所以苹果不适合做交换的媒介。因此交换媒介的关键要素是人们的共识。所以如果我对于这个价值物的判断非常宽泛,那么它就不适合用来做交换媒介。如果我们都认同价值物,达到了共识,那么它就非常有价值。

互联网教会我们一件重要的事,就是发散性地做一件事。但如果他们拥有一个非常宽泛的网络,他们怎么可能在某件事上达成共识。所以之前人类社会经济我们总是认为必须有集中的实体,可以处在掌控之中,让人们达成一致。但是当你真正见识到真实世界后,自有一套真实世界达成共识的方法。

那就让我举个物理的例子。每天当你醒来后,走向冰箱,倒一杯牛奶。或大家通常喜欢贴冰箱贴在冰箱上。那么冰箱贴有什么作用呢?所有的物质都由电子组成。电子的运动就像指南针。它由北极和南极,所以电子像磁铁一样运动。但大部分时间,它们不会指向同一个方向,它们都指向随机的方向。因为全球地,宏观地看它们并不像磁铁。但是你的冰箱贴奇迹般地达成了共识,或电子们决定指向同一个方向了。这件事就这么发生了,没有集中化的实体告诉电子们要做什么。不知为何,有了交换规章的制度,它们奇迹般地指向了同一个方向,这就是真实的网络世界深奥的地方。

对某件事达成一致,被称为低统一性状态,而无秩序则被称为高统一性状态。世界的自然趋势是:统一性随着时间逐渐递增,世界变得越来越无序。但无论怎样,在一个子系统中,你能够高度一致性,减少统一性。但是这是有代价的,你必须在其他地方倾倒多余的统一性。一致性无法在自我管理的分散的方式下实现,但得有一个关于它的代价,一致性似乎是一种地统一性的状态,你必须在其他地方倾倒多余的统一性。我认为这就是为何区块链运行的基本解释。

区块链使电脑世界分散,而最早的管理电脑分散系统的方法,就是寻找是否有中心最高算法。决定算法存在的可能,能够协调并指导所有分散的计算机,就算他们中有的有非常长的潜伏期,非常宽泛的潜伏期。有的甚至无法被非法侵入,表现得具有恶意,不管在所有情况下这些是否存在,最高决定性算法还是可以告诉这些计算机应该做什么,然后达成一致。


计算机科学中有一个非常著名的结果,叫做费歇尔林奇帕特森定理。实际上是一个没有结果的结果,这个定理人为这种最高决定性算法是不可能存在的。所以这个让我想起了物理的中心结果,叫做统一性永远会增加。如果这种最高算法存在,实际上我们还给它命名,叫做麦克斯韦恶魔原理。不知为何,这个恶魔智商极高。打个比方如果一个房间内有一罐汽油,它们中间有一堵墙,墙上有个小洞。当麦克维斯恶魔看到左边是高能量的粒子,它就打开遮挡门让它通过,然后让低能量粒子通过,然后关闭遮挡门,不让它通过。如果这个恶魔可以高效地完成这些精密的工作,那么不久之后,这一边会比这一边热很多,然后你就可以走进去了。所以这种使一致的集中实体,可以真正凭空提取能量,而这明显是绝无可能的。

所以我想,将费歇尔林奇帕特森定理和麦克斯韦恶魔原理作类比,他们都是不可能的,最高算法不可能。所以解决办法是什么?区块链可以提供解决办法。所以你希望整个分散的因特网都执行同一个临时指令,这对于金融交易至关重要,哪个交易先进行,哪个交易后进行。你想让机器投票,但投票前需要解决杂乱的谜题。只要那些能够解决杂乱谜题的机器,非常难解,但却非常容易核实。有一些机器能够解决这个杂乱的谜题。每个机器都会统一,对这是真的,我们确认这个临时指令。所以这是绍斯塔克算法,这实际需要能量来计算,来解决这个难题。所以因此在自我管理区块链一致性原理中,我们在底统一中达成一致,但我们在别处倾倒了额外的统一性,通过对难题的计算。

这和物理世界发生的事情非常类似,也就是说我们能够大体上达到低统一性的一致性,只要我们能够把多余的统一性倒在别处。所以我认为这真的是人类历史最伟大的发明之一。我们能够拥有自然客观的原理,在分散的世界达成一致,但是这是有代价的,意味着你需要做这个开矿工作。所以多余的统一性可以被扔在什么地方。


所以一旦你拥有了这个共识机制。我认为他提供了一种全新的机会。一种区块链和人工智能间的新型共生。所以我说的是人工智能被运用于会议,拥有三种主要趋势的神奇会议,我指的是计算机能力、摩尔法律、然后可能是量子计算机。

但是人工智能最需要的是数据,这样人工智能就可以学习。但现在所有的数据都在集中平台。所以个人并没有什么创造数据的动力。因为他们基本无回馈,甚至个人隐私也会受到威胁。所以我设想未来的世界:数据的所有权应该完全回到个人手中。我所有的个人数据,或行为数据,或在线数据、或基因数据、或医疗数据等所有这一切都应该掌握在个人手中,个人隐私应该完全受到保护。

但然后你就会说,哇,那么计算结果也许是现实的,如果每个人都保护着他们的隐私。然后就会出现一个叫做隐私保留计算的东西,然后数据交易市场的出现就有了可能。首先保护了我所有的隐私数据,但我可以每次泄露少量信息,完全在我个人掌控之下。这样的世界会成为一个个人的数据交易市场,一个面对面的市场,个人拥有着他们的隐私数据,有一个投标和售卖的过程。这是一个很个人选择的过程,在这个隐私存储数据市场中。


这是未来世界的交易市场,这一个原则指导下,我们称之为我们相信数学(“In Math we trust”)。但依旧可以保存隐私,但依旧维持,依旧能做计算。每次仅仅泄露非常非常有选择性的信息。所以这个著名的问题叫做安全多样的计算或者百万富翁的承诺。显而意见,个人财富非常非常私人,人们不想公布,但也有这种可能。两个百万富翁想比较谁更有钱,但谁都不告诉对方,如果他们相互告知了彼此拥有的财富,他们会得到结果。但泄露了太多个人数据,但有一个计算规章就做亚斯双重回路,他们可以在一天的尾声交换粒子,得到一比特叫做谁更有钱的信息,而不泄露任何其他信息。。

有一种叫做微分隐私的概念,也就是给个人数据加入干扰项,这样他们就无法分辨个人数据。但如果我想进行收集性调查,我能够这样加入干扰项,在统计数据时干扰项会被排除,所以统计信息是完全准确的,同时没有多少个数据被泄露,因为干扰项太多了,个人认证信息不在其中。但是总的来说,统计信息依然准确。

接着还有零知识证明的概念。我能向你证明,比方说我解出了一个非常难的游戏,就说数独游戏好了。但我只想给你一比特我解出了这个游戏信息,但我不想告诉你我所有的解决方法。我想继续试试更难的,而这也能通过零知识证明实现。

所以真的会有一个世界,数学能够融入进金融。以非常感官的方式,使数据交易市场成为现实。我们所有人都拥有自己的个人数据,还有谷歌云端,所有这些实体都能集中计算。他们能计算出有用的数据信息,不需要泄露。不需要让我们的信息暴露在阳光之下。

所以我真的很期待这个世界,人工智能和区块链的结合。在这个新时代能够对社会做出贡献。这个在我们所信任的数学之上建立起的密码经济科学时代。因为当你真正开始思考我们今天的社会出了什么问题?是因为存在对于少数人群的歧视,这是我们社会的基础。


但当你真正开始思考人工智能学习,就说如果我的人工智能已经有90%的工作准确率了。但我想要一些额外的数据,这样准确率就能从90%到99%。但这样我需要就不仅仅是另一种数据和我之前看过的数据都很相似。我想要拥有高度相互统一性数据。就是说这个数据是截然不同,定义上来说是属于少数人群的。但是在这样的数据交易市场,因为我的数据大部分来自少数人群,我会是最高点。然后经济刺激结构会变得一致,或者整个社会会认为少数人群的数据价值最高。而这就是我们对社会作出的贡献。所以最后有一个美好的愿景:丑小鸭能够变成白天鹅,因为丑小鸭不是丑,只是不同。而现在,不同变得非常正当。少数人不用再担心在数据交易市场被歧视。


所以我人为美丽新世界由三个主流趋势构成:量子计算机、人工智能、和区块链。同时我也认识到自己来自学术界。和来自工业界的工人们的开放式交流。我们真的能步入一个新世界,最新的科学概念非常非常迷人,绝对令人震撼。这些数学概念完全来自数学家的交流中,显示出他们非常有用。所以像数字理论,每天当我们用HTTP开始处理交易,用最有效的方法使用数字理论,所以这是一个非常棒的世界——工业界和学术界的联合,真的能迈出伟大的前进步伐。正如我说的,进步最好的机会,是经常能够审时度势,认清趋势。

而专业领域的人,往往看不到全景。而且我认为三个主要趋势的共生部分,将会定义未来信息技术的特性。


这张slide没有找到讲解。

(以下文字来自华尔街见闻网

我在这里跟大家分享,我除了做斯坦福大学教授之外,也是丹华资本创办人,我们主要的核心理念就是要把今天最前沿的科技和投资要紧密联系起来,要用第一性原理的思维方式来理解今天的世界。

我另外想讲的是我是来自学界,我们在整个人工智能领域里面需要做两个大的桥梁,一个是要学界和产业界做紧密的联系,在学界有最好的物理、最好的数学和算法的发现和发明。在今年1月8日,我非常荣幸在人民代表大会堂受到习总书记给我授予的中华人民共和国国际科技合作奖。我们整个世界科学是最无止境、最没有国界的,科学能真正把人类带到超越国界的,今天我们所要解决的人工智能、量子计算都是整个人类的问题。所以我们一定要把我们的眼光不要放在自己的局部,而是放眼整个全球和整个世界。在这个过程中,中国也是一个非常大的机遇,大家都想回答的问题,我们中国除了把应用科技做得好,能不能在中国有真正原创科技的产生。我今天跟大家介绍的这些都是最基本的物理和最基本的数学原理,我们这方面能够做好的话,而且这些原理听起来比较抽象,比如熵增原理,正负电子。但是在最基本的层次上,这是我们今天这个世界的奇妙,它真正能够给整个IT行业提供最基本的科学技术发展的前景。谢谢大家。

标签: 人工智能, 张首晟, 区块链, 量子计算

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