人工智慧會不會覺醒—

量子計算機

我們現在的計算機稱為“電子計算機”，它的最基本的工作單元是二極體、三極體、MOS管。但不論是什麼“管”，它的本質就是一個帶開關的管道：關上管道，電子通不過，表示 0；開啟管道，電子透過，則表示 1。

有了 0 和 1，就可以用二進位制來表示一切資訊。

但是，這裡面有一個最關鍵的核心點，電子計算機用來記錄資訊的基本單元其實不是電子，而是開關。每一個開關，我們稱之為 1 位，也就是我們常說的 1 個位元（bit）。在某一個給定的時刻，資訊單元有多少位，就代表能表達多少位元的資訊量，我們現在的作業系統一般是 64 位的，也就是說用 64 個開關排成一串作為一個最基本的資訊單元。

而量子計算機則從根本上改變了資訊的儲存方式，它用到了量子的一種奇異性質。像電子、光子這樣的基本粒子，我們統稱為量子，所有的量子都有一種很奇異的性質，這種性質被科學家們稱為“量子疊加態”。

比如說，電子有一種性質叫“自旋”

，每當我們去測量一個電子的自旋態時，我們總能隨機得到兩種結果（A 或者 B），但非常奇特的是，物理學家們發現，當我們不去測量電子時，電子的自旋態既不是 A 也不是 B，而是同時處在 A 和 B 兩種狀態的疊加態中。不僅是電子的自旋，量子的很多性質都有這種奇異性，例如光子的偏振態。

量子計算機用來記錄資訊的基本單元不再是“開關”，而是用電子的自旋態或者光子的偏振態等來記錄資訊。比如規定，自旋A表示 1，自旋B表示 0，那麼，一個電子就可以同時表示 1 或者 0，因為電子的自旋態在沒有觀察之前，是處在疊加態中的。所以，在任何一個給定的時刻，電子的數量和資訊量的關係是 2 的 N 次方，這裡的 N 就表示量子的數量，也稱之為量子位元（quatum bit）。

我們來對比一下普通位元與量子位元在資訊量上的差異，前者有多少位就有多少位元的資訊量，而後者是 2 的 N 次方。 2 的 10 次方就是 1024，指數增長是非常驚人的，如果漲到 2 的 20 次方，那麼資訊量就會變為 1048576 位元，如果到了 30 次方，就突破 10 億了，如果指數增加到 64 ，我的電腦已經無法計算出 2 的 64 次方到底是多大的數字了，估計比銀河系中原子的總數還多。

由量子計算機的基本原理可知，評價量子計算機效能的一個最基本指標就是看它能同時精確操縱多少個量子，也就是擁有多少位量子位元。

2013 年 5 月，谷歌和 NASA 在加利福尼亞的量子人工智慧實驗室釋出 D-Wave Two，這臺量子計算機的量子位元數是 9 位，同時操縱 9 個量子，換句話說，他的資訊長度是 2 的 9 次方，也就是 512 位。

2016 年 8 月，美國馬里蘭大學發明世界上第一臺由 5 量子位元組成的可程式設計量子計算機。

中國科技大學潘建偉團隊在 2017 年 5 月 3 日釋出了一臺光量子計算機，量子位元數是 10 位，因此，資訊長度就是 1024 位。量子位元數每增加一位，效能都是一次飛躍，難度也是極高的。

這說明，我國在量子計算機上的科研水平已經走在了世界的前列。當然，量子位元的位數並不是全部指標，我們在可程式設計性上還沒能超越國際同行。

量子計算機不僅僅是在資訊長度上有著電子計算機無法比擬的巨大優勢，在計算速度上也有著巨大優勢。電子計算機的計算速度取決於開關的頻率，頻率越高，則算得越快，但不管頻率有多高，電子計算機只能按次序老老實實地一次一次地做加法運算。所以，我們經常看到，評價超級計算機的運算效能都是用每秒鐘運算多少次來評價，這個“次”就是一次最基本的加法運算。

但是，量子計算機卻可以充分利用奇異的量子疊加態，在同一時間，並行處理加法運算，而不用排隊。而且，運算速度會隨著量子位元數的增加呈指數級的增加。我在電視新聞中看到潘建偉在一次講座中就打了個比方，他說如果量子位元數能達到 30 位，那麼我們現在最快的電子計算機用 15 年才能完成的運算量，量子計算機 1 秒鐘就夠了，就是這麼誇張的差距。

不過，以目前人類的理論儲備，

哪怕我們實現了 30 位可程式設計的量子計算機，也無法完全取代傳統電子計算機。

這是因為，量子計算只對特定的、可以用大規模平行計算解決的需求有優勢，對普通的文字、影象處理沒有任何優勢。換句話說，上網看個電影、發個郵件什麼的，量子計算機根本發揮不出優勢，至少在目前現有的理論框架中，還沒有優勢。但量子計算理論還是一門非常年輕的學科，隨時都有可能在理論上出現突破性的進展，這個就要靠數學家們的努力了。

但是，量子計算機用來模擬超級複雜的物件卻有著電子計算機無法比擬的巨大優勢，像大腦皮質層的 200 億個神經元，如果可以用差不多同等數量級的量子來模擬，那這些量子全部加起來也不會超過一個針尖大小。