聊兩句Quantum Computing (量子計算技術）and Quantum AI

      這幾天ChatGPT大火，覺得挺好笑的。對於從事於或做過Machine Learning(or say Deep Learning)的人來說，就算火也應該是GPT-3（Generative Pre-trained Transformer 第三代），ChatGPT隻是基於GPT語言模型的一個應用，你到github上找GPT，任何人都可以寫一個基於GPT、利用GPT語言模型的API。和一、二代比較，第三代的神經網絡模型更大，訓練數據更多，架構沒有變化，有175 millions個參數 (parameters)。有人甚至問是不是ChatGPT具有人的意識，沒有，絕對沒有。它隻會按人給它的算法計算，不會思考，丈量的是輸入值與被人類輸入的語意庫（注意不是數據庫 database) 裏多維空間矢量的距離，距離越短就越相關，距離長就不相關。Siri，還有很多購物網站上的AI Chat都是相似的架構，隻是GPT3規模更大。但是這裏至少有兩個問題，Open AI's GPT-3用傳統的電腦需要花幾個月的時間去訓練 the tranformer。這還隻是開始，想要讓模型更加強大之後有可能會增加更多的參數，需要更多的時間去訓練。另外一個問題就是預測的準確性。傳統計算機以二進製“bits”比特作為信息單位——1 代表開或是，0代表關或否。也就是非黑即白，這給所能預測的結果帶來了很大的局限性，可能的解決方案的準確性也會隨之降低。這兩方麵的問題似乎隻能由量子計算和量子計算機來解決。

       首先表明我的觀點，很多人認為量子計算技術和AI都是顛覆性的技術，是新一代的Frontier。我認為量子計算技術具備更高的顛覆性，而AI必須依靠量子計算機——也就是成為量子人工智能Quantum AI——才能高速、高效、準確地幫助人類預測結果或解決更為複雜的問題。如果你是學物理的，可能已經很了解量子計算的核心概念，我們還是先從它在當今世界的地位說起吧。量子計算技術很早就開始了，但近幾年它已經從論文的腳注上升到許多國家正在執行的日式日程之中。迄今，已經有17個國家製定了量子技術戰略。從80年代中期開始，中國已經在量子技術上投資了大約250億美金。中國首席量子科學家，潘建偉院士（1970年出生），分別在2016年和2021年領導發射了世界上首枚量子衛星，這枚衛星擁有56-qubit（qubit - 量子比特，對應普通計算機中bit比特位）量子計算機芯片。中國在2021年三月發表了第14個五年計劃，把精通量子計算技術列為首要目標。世界經濟論壇報道去年全球共在量子技術上投入了300億美金，而中國就占了大概50%，歐盟占25%。美國政府隻投入了12億，相比之下簡直就是微不足道。龍頭科技公司從Google, 到Amazon，再到阿裏巴巴，更不要說爭奪科技霸權的國家——全都在想方設法在這一領域稱霸。 一份國際數據分析表明全球量子技術產業總值將從2020年的四億一千兩百萬美元發展到2027年的八百六十億。所以許多人預測新一輪的世界爭霸戰場就在Quantum Computing and Quantum AI. 美國國家安全顧問Jake Sullivan說量子技術在下一個十年中至關重要。中美兩國後量子安全標準的競爭很有可能把世界一分為二成兩個集團——極有可能會導致所謂的網絡巴爾幹化。

  我在金融領域工作所以很清楚金融公司是量子技術的早期應用者，比如用量子算法不僅可以使外匯交易效益翻倍，還能找出很多以前普通算法的錯誤之處。量子深層機器學習算法和普通的機器算法完全不同，速度快是一方麵，關鍵是它可以嚐試更多的方法從大量的數據中更有效地找出相關性，也就是更加準確。現在量子技術的商業用途也是如火如荼，不僅局限在金融領域了。當世界上眾多知名大公司和成百上千的新的創業公司都在爭先恐後地乘上量子科技這匹快馬時，IBM已經一騎絕塵成為這一領域的佼佼者。目前為止，IBM已經擁有60台可運轉的量子計算機——比世界上除它之外的總和還要多。老大就是老大，這個一個世紀前創立的公司未能趕上雲計算和AI最初的那趟車，落後於Apple，Microsoft，但是在量子技術上IBM打了一個漂亮的翻身仗。去年十一月，IBM宣布推出最新研發的量子計算機芯片“魚鷹”，含433個量子比特（qubit)，是它之前推出的“鷹”芯片（127個量子比特）的三倍還要多。這是目前為止世界上最強大的量子芯片，從速度上講，如果用普通電腦的比特(bits)來表示，它遠超過整個宇宙已知的原子數總和。IBM在它的開源量子編程軟件開發工具包Qiskit上有20多台量子計算機在運轉，目前已被全世界人民下載了四十五萬多次。IBM為了支持世界人民學習量子技術，很多計算機都是免費提供使用的，而付費用戶也可以遠程租用更強大的量子計算機。IBM計劃今年，就是2023年推出擁有1,121個量子比特芯片的計算機，到2025年推出一個超過4,000個量子比特的係統。這個係統會擁有模塊化的量子電路，從而連接多個處理器芯片已實現更快的速度。IBM說模塊化是這個領域一個關鍵的拐點，他們已經知道如何製造出有上萬個量子比特的機器。去年十月拜登總統訪問了位於紐約Poughkeepsie的IBM量子數據中心，他稱量子技術對國家經濟和安全都是必不可少的。當今新一輪群雄爭霸之際，中美都不遺餘力地進行科技競賽以免在關鍵陣地失去優勢。無疑量子技術和之前的互聯網和傳統計算機一樣將會帶來新一代的產業革命。

  為什麽這麽說呢？縱觀傳統計算機給人類帶來的奇跡，從70年代後期Apple II的開拓時期到今天的智能手機和超級計算機，處理器把高級語言編寫的任務翻譯成二進製來執行。然而生命是如此的複雜，不能隻用這種簡單粗暴的方法來處理信息，有人比喻這就像用摩斯代碼去演奏鋼琴協奏曲一樣。量子技術更接近自然。分子——宇宙的建築模塊——由原子組成，而原子由電子組成，電子能夠以同時處於正負兩種狀態的方式存在，這就是量子粒子的疊加——superposition。應用到自然或材料科學中就可以用來預測藥物是怎樣影響人體機能的，或是預測物質是如何腐化的。傳統的做法是通過試誤法進行計算猜測，而量子作為自然界的鏡像反映，能夠進行更加有目的性的、更為準確的設計和預測。一些複雜的問題用現在最強的超級計算機也需要幾年的時間才能解決，而在量子計算機上很有可能隻需要幾秒鍾就解決了。未來的量子計算機會為數學和科學探索出今日無法想象的疆域，幫助解決人類最棘手的問題，比如氣候變化，生命科學，研製修複基因疾病的藥物，極大地剪短新藥品 trials 時間(現在是10-15年)。最近一連串的突破和各個政府加大投資的現象表明我們正處於量子革命的風口浪尖之上。

  然而任何東西都是道高一尺，魔高一丈。顛覆者帶來的風險也是巨大的，量子技術已經成為國家安全的隱患。它是一把雙刃劍，人性總是要先把一種好的東西當作武器來使用。量子計算的能力很快會把當今的密碼學變成廢紙，破壞電子傳訊，金融交易，甚至軍用防禦係統。當今所有的網絡安全——不論是whatsapp上的留言，銀行轉帳，任何需要數字簽字鑒別和協議的地方都是基於RSA這樣一種非對稱密碼學的演算法，用來安全地傳遞數據。相比一台傳統的計算機需要幾十億年才能解碼RSA，一台比較快的量子計算機隻需要幾個小時就可以完成RSA的解碼。去年12月一個中國的科學家團隊發表了一篇論文，聲稱他們已經掌握了一種算法，隻要用一台372-qubit的量子計算機就可以輕鬆解碼RSA。無論真假，針對量子技術的競賽演變成了一種後量子技術安全競賽。美國白宮去年發表了一份國家安全備忘錄，由於全球量子技術的發展會給經濟和國家帶來嚴重的風險，命令所有聯邦機構盡快過渡到後量子安全階段. 由於要把所有計算機係統的軟硬件基礎構架、設施完成升級需要幾十年的時間，而且可以說任何和互聯網有聯係的東西都存在風險，所以事不宜遲，現在就要行動起來雲雲。即便如此，前國防部首席數據官Spirk仍然擔心美國在安全方麵還是落後了，號召政府實施一個類似於“曼哈頓計劃” （Manhattn Project是第二次世界大戰期間研發出人類首枚核武器的一項軍事計劃，由美國主導，英國和加拿大協助進行。）的計劃，專門針對發展量子技術。“這已經不是即將到來的浪潮，” 他說，“它已經在這裏了。” 安全問題還不是圍繞量子技術的唯一風險。你也許可以用筆和紙驗證普通電腦的計算結果，當量子計算機用複雜的物理原理解決複雜的問題之後，人們如何驗證其結果將是一個million-dolar question。

  為什麽說速度至關重要？看看這次的俄烏戰爭，它已經為我們敲響了警鍾。俄國是從攻擊烏克蘭的通訊和基礎設施的電腦網絡係統開始它的軍事入侵的，所以可以說這場戰爭是人類曆史上第一個從計算機網絡攻擊開始的熱戰。公共服務，能源網，媒體，銀行，商業和非營利機構的電腦係統全部都被網絡閃電戰攻破，影響了藥物，食品和救援物資的供給。現代作戰和國家安全機製是建立在準確和決策的速度上麵的。“如果你的電腦比敵人快，那你就會贏，就這麽簡單，” Spirk說。“量子技術就是下一個飛躍。”

  我就先叨叨這麽幾句吧，歡迎有興趣的小夥伴們熱烈討論，嗬嗬。