[科普中国]-丁洪：量子计算机将成第四次工业革命引擎，人工智能迎来转折点

2018年9月8日，未来科学大奖获奖人名单在京公布：李家洋、袁隆平、张启发因系统性地研究水稻特定性状的分子机制和采用新技术选育高产优质水稻新品种中的开创性贡献摘得“生命科学奖”；马大为、冯小明、周其林在发明新催化剂和新反应方面的创造性贡献，为合成有机分子，特别是药物分子提供了新途径，因此获得“物质科学奖”；林本坚因开拓浸润式微影系统方法，持续扩展纳米级集成电路制造，将摩尔定律延伸多代取得的成就荣膺“数学与计算机科学奖”。图注：2018未来科学大奖发布会现场在新闻发布会的间隙，未来科学大奖委员会委员、中国科学院物理研究所丁洪研究员就未来十年世界科学的发展趋势、时下热门的量子计算机和人工智能领域发展情况、目前中国的科研大环境等问题接受了记者采访。图注：未来科学大奖委员会委员 丁洪当前科技转化越来越紧密，周期越来越短在被问到未来十年世界科学研究、科技转化的趋势时，丁洪表示：“在目前来看，技术和商业的转化越来越紧密，它的周期越来越缩短”。这种趋势很多还是在科学前沿。比如在计算机，特别是人工智能领域，很多教授、包括未来科学奖评委会的李飞飞-斯坦福教授，被聘为谷歌人工智能实验室主任，这就是科技转化的明显体现。丁洪称，在生命科学、物理科学，比如新材料、新能源等领域，科技转化也有突出体现。“这是未来的趋势，科学家能够很快地把一些新想法、新发现转化为对社会有用的技术，甚至是一些商业模式。”基础研究的贡献，不仅在于实际的突破，还在于推动人类知识宝库的不断充实当被问到基础研究对世界的贡献时，丁洪表示，尽管基础研究发展缓慢，但在漫长的求索中，它是对人类知识宝库的不断充实。以他本人研究的超导为例，“超导是一个非常神奇的现象，一种宏观量子现象”。丁洪说到，“这个故事讲起来似乎是矛盾的”，量子现象明明是微观的，怎么会有宏观？但超导和超流，就是宏观物体中能够体现的量子效应。这使它有了一些很重要的实际应用：一类是精密测量。因为测量多半要测宏观，有了量子效应，会测得比较精确。第二类是用来做医学器械，比如最常见的核磁共振用的超导线圈。未来来看，运用超导的宏观量子效应——量子相干性或者量子的纠缠性，在宏观尺度上去实现，是制造量子计算机最被看好的一种方向。当然，“超导还有很多其他的可能性”，丁洪说到，比如磁悬浮，如果将来超导的温度能够达到室温，那么就是一个革命性的突破，我们会看到阿凡达一样的世界，山都会悬浮起来。“这个世界会变得超乎想象。”而在超导发现的这一百多年里，它还带给我们另一个方面的贡献，丁洪特别补充到，“（超导发现）所带来的知识，是对人类智慧的一个挑战”。在超导发现后一百多年间，很多著名科学家，包括爱因斯坦都在思考怎样理解超导，但都失败了。一直到五十多年之后人类才理解了所谓的低温超导，但这之后、八十年代，又出现了高温超导。“这是对人类知识的又一挑战”，丁洪说到。“我们人类是一个充满好奇的物种，面对重大挑战，自然会想办法去理解它”。“如果我们不能理解，那说明我们以前还是处于一个相对无知的状态。”丁洪说。在这种情况下，正是对于超导知识的探索，推动了人类知识宝库的不断充实，也推动了人类社会的不断进步。通用量子计算机尚未实现，但具备非常大的潜力记者追问量子计算机的话题。丁洪表示：“量子计算机现在是非常火的一个概念，但是通用计算机现在还没有实现”。关于量子模拟机，或者说，有几十个比特的作为一些非常局限的工种，现在是有一些。丁洪解释说：因为量子计算机的运算能力是以一种指数形式来增长，“比如说，你把这个量子比特的所有潜力都挖出来，那它的计算能力将是这个2的N次方”。这是一个惊人的数字，只要50个比特，（量子计算机）每一步的计算数就可达到2的50次方，这个数字将超过现有的超级计算机的能力。“所以各国都在激烈地竞争，希望获取一种量子霸权”，丁洪说到，“它对于整个人类社会会有一个非常大的突破。”“量子计算机是即将到来的，或者说现在已经开始到来的第四次工业革命的引擎之一，这个话应该是恰当的。”那么，他本人今年八月份发布的科研成果——铁基超导体中的“马约拉纳任意子”——对量子计算机的发展有何帮助呢？丁洪表示：“（这个发现）是开拓了一个新的方向”。相比其他方向，这一发现有一些独特性和优越性。首先，它温度相对较高。其次，也是最主要的，它的纯度比较好。另外，它的结构比较简单，用单材料就可以做。图注：丁洪在“马约拉纳任意子”新闻发布会现场（2018年8月17日）那这个发现对于量子计算机有什么应用呢？丁洪表示：在量子计算机中，量子比特之间的相干性是保证量子计算的基础，为了避免量子退相干导致的误差，就要用其他的量子比特去保护这些用于计算的量子比特，如果要让50个比特完全处在一个量子相干性，就需要几千甚至上万个量子比特去保护。并且，随着比特的增加，这个保护的增长几乎是指数式的。“这样的话，现有的技术要去做是很难。”但是还有第二种方法，就是用拓扑保护，丁洪说到，“就是制造一种拓扑量子（来对抗干扰）”。怎么制造？就是用马约拉纳任意子来造。这个是可以做出来的。“应该说，（我们的这项研究）这是做了一个前期的工作，一个物理的基础。”丁洪说到，这就像三极管之于基层电路，它铺垫了整个半导体工业的基础。 “而我们就是在做基础，在科学上发现它（拓扑量子），如果以后能做出来，能够用，那就要有工程师介入来做了”。基础研究寻找最佳方案，工程师将之发挥到极致记者追问对基础研究和应用研究之间关系的看法。丁洪表示：在最初的阶段，基础研究更重要。但基础研究有个不确定性，你无法知道一个东西研究出来之后会不会被应用。或者说，基础研究会（对同一个问题）给出不同的解决途径，但最后选取的可能就是最佳方案。而工程师（应用研究）会将这个最佳方案付诸现实，并发挥到极致。“就像原来看三极管，那三位物理学家发明的三极管是巨大的，笨重又占空间的”，而现在工程师们做出来的三极管，在集成电路上面用肉眼都看不见。（工程师们）能把科学家研究出来的一些原理性的、非常笨重的东西做成我们现在非常好使用的东西，他们在这方面起着巨大的作用。那么，对于今年的未来科学大奖数学与计算机奖得主林本坚教授的研究，又怎么看呢？丁洪表示：林本坚的研究，正是在于对集成电路的贡献。集成电路之前是用波长193纳米的可见光进行光刻，但是随着这个尺度越来越小，到小于这个波长的时候，集成度就会受到光学极限的限制。而林本坚的研究，突破了这个光学极限，他能够用193纳米的光去做7万以上的光刻，使得摩尔定律多活了7代，“这是非常惊人的事情”。人工智能潜能无限，世界将因此变得更美好记者转而问到当下大热的人工智能的问题，丁洪表示：人工智能潜能无限，但人类依然能够驾驭，世界将变得更美好。“据我所知，AI实际上是经过了几起几伏”，七十年代火过，后来又冷却，再火起，又冷却，反反复复。“这实际上是，人类对AI的期待非常大，所以它很容易火”。但它又非常难做，所以又会进入低谷期。“但是这一次，可能是不同。”丁洪话音一转。其一在于现在是一个互联网高度发达的时代，使得机器之间，或者人机对话，在远距离成为可能。第二是芯片，集成电路的高度小型化，也使AI成为可能。只要将计算机放在云端，通过快速的互联网技术通向世界各地的AI终端，即可实现AI运算。“另外还有一些进展，比如说，机器学习，随着大数据的利用，就做得非常好”，丁洪说到，“最突出的一个例子就是阿尔法狗，在围棋上面能够打败人类。”“这是个非常惊人的事情，应该说是AI的一个转折点。”“我觉得AI不会像以前那样，轻易又转入一个低谷期。它似乎是能够有更强的持续发展的能力。”那么，这种能力如果走进科学家的实验室里面，又会碰出怎样的火花呢？丁洪表示：“我非常看好AI帮助人们理解（科学问题）。”人类经过几千年的积累，才凝聚的下围棋的智慧，阿尔法狗在几天、几个月的时间就把人类的围棋水平从九段提高到了二十段。“如果同样一个思维用来学习物理，并且能够发现物理规律，是不是在几天内就能把人类未来几百年要做的事情都完成了？”如果它（AI）能学习人类的东西，并且拿去创造，这时候人类的知识积累，会是一个巨大的加速。就好像之前的语言、文字、计算机一样，帮助人类文明实现一个跨越式的进步。它能帮助我们找到超导的秘密，设计出量子计算机，诸如此类，“这是一件非常令人兴奋的事，至少对于我来说”。那人类会被AI取代吗？丁洪表示：虽然AI在某些方面能够迅速超过人类，但它毕竟是人想出来的，新时代会出现新的职业，就像现在的程序员，在计算机出现以前是根本没有的。AI时代也是一样的，有些简单的重复性的工作会被它取代，但是，设计AI，设计机器人，可能会成为新兴的职业。人类社会会变得更丰富，工作越来越多，生活越来越美好。青年科学家开始科研时，应该先深度再广度那么，在当下的大科技环境下，随着交叉学科的兴起，学科融合日趋重要，青年科学家应该怎样平衡研究的深度与广度呢？丁洪表示：年轻人首先要术业有专攻，也就是有深度，然后才要跨界发展，去做得更好，这是一个辩证的关系。丁洪说：从深度和广度来说，其实有一句话叫，什么是博士？英文说，他要知道，everything about something，就是对某一件事，他要全部知道；但这还不够，他也要知道，something about everything，就是对所有事情都要知道一部分。这就叫博士。前者说的就是深度，后者是讲的广度。“对于年轻人特别是刚刚从事科研的学生来说，首先还是要深度”，丁洪说到，只有术业有专攻，对自己的专业研究得很深入，才有可能立足，因为现在是一个社会分工很细的社会，刚开始是万金油，就很难在社会上站住脚。“当然有一定的积累之后，想要继续做得更好，广度是非常重要的”。丁洪说，很多新的发现，或者新的学科，就是在老学科的边缘里产生的，所以跨界也非常重要。“这是一个所谓的辩证关系。”怎么看待“颜宁、许晨阳先后回美国”？中国吸引人才看“以前”，国外看“现在”。在采访将要结束时，记者就“颜宁、许晨阳先后回美国”一事也询问了丁洪的看法。丁洪表示：这个跟中美两国对人才的吸引机制不同有关。“中国喜欢看帽子（头衔）”，诺贝尔奖、院士、千人计划、杰青等，但是，“其实有很多帽子戴上去的时候，是奖励以前、甚至很久以前的成果”，并不意味着你现在还具有同样的创造力。而美国更加注重现在，看你是否正当年。用体育来类比的话，“就好像我们现在把球王贝利请来踢足球，那肯定踢不好的”。“而美国会说，我要把C罗请过来。”像颜宁、许晨阳这样三四十岁的科学家，美国可能更有吸引力。“我想中国应该更多去引进当代之年的人才。”丁洪说到。图注：丁洪在未来科学大奖发布会采访现场在匆忙的采访之后，丁洪研究员去向了另一议程。他对未来科技的乐观，对个人研究工作的热情，以及对跨界领域的深度思考，都给人留下极深刻的印象。他之前的预言，“量子计算机会成为即将到来的第四次工业革命的引擎之一”， “人工智能迎来转折点，将帮助人类文明实现一个跨越式的进步”，也让人不自禁充满期待，我们希望这一天早日到来。编辑：高佩雯 腾讯科普附录：关于“未来科学大奖”未来科学大奖作为一个非官方、非营利、民间发起的科学奖项，经过三年的努力，已在全世界范围内产生影响，被誉为“中国的诺贝尔奖”。该奖项强调奖励在大中华地区完成的重大科研工作，评审体系主要参考诺贝尔奖等国际著名奖项。单项奖金100万美元，每一项由四位捐赠人共同捐赠。旨在通过这种激励示范效应，激发全社会的科学热情，吸引更多青年投身科学，实现中国公民科学素养的提升。2018未来科学大奖颁奖典礼将于2018年11月18日在北京盛大举行。届时，全球近百位具有卓越影响力的顶尖科学家将出席见证。文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”