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量子AI：下一代计算机技术

2021

02/23

学术头条

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当你看到量子人工智能（Quantum AI）这个词时，你会想到什么？是物理、人工智能，还是你在电影里听到的科幻名词？

事实上，量子人工智能是指两件事。“量子” 一词指的是一种相当新的计算系统，即 “量子计算”，目前人们还有很多工作要做，对其最终能力知之甚少，它仍处在第一代，只有一小部分这样的计算机在使用中；而 “人工智能” 则是当下的高频科技术语，也是两者之中更能被理解的。

那么，量子人工智能到底是什么？量子人工智能其实是量子计算机在人工智能领域的应用。

你可能想知道它为什么如此重要。要理解这一 “组合” 的含义，你必须了解量子计算机和人工智能本身的基础知识。首先，让我们先看看什么是 “量子计算机”，以及是什么使它们优于我们目前日常使用的经典计算机。

量子计算机

什么是量子计算机？它与我们今天使用的经典计算机有何不同？

首先，你需要了解经典计算机，然后了解它与量子计算机的差异，以及该差异如何适用于某些计算任务。经典计算机是我们今天使用的计算机，包括现在的智能手机也都是经典计算机。

那么，是什么使经典计算机成为 “经典”？答案很简单，只有 1 和 0，即今天的计算机使用二进制系统。二进制系统是计算机处理用户数据和指令的方式。当计算机 CPU 读取这些 1 和 0 的序列时，计算机会将特定的组合解释为命令或字母和数字。CPU 使用此信息来处理命令或指令并产生所需的结果，无论是向朋友发送电子邮件，还是在Facebook 上更新你的近况，所有这些都是使用当今经典计算机中的二进制系统处理的。

二进制也被称为 base-2 系统。base-2 系统是一个数字系统，它使用两个数字（在本例中是 1 和 0）来表示数字。在更复杂的系统中，如果需要更大的数字，则可以具有多个二进制数字。但是，在这些计算中，系统仍然只使用 1 和 0。 这是经典计算机的基本原理和局限性。

量子计算机中引入了 base-3 系统。经典计算机将 1 和 0 用于计算，量子计算机也使用这些。但是，在量子计算机中，不仅可以选择 1 或 0 位，还可以选择同时为 1 和 0，从而产生第三种状态。

需要理解的概念是，量子计算机的处理能力比经典计算机有了极大的提高。例如，与经典计算机一次只能运行一个条件运算不同，量子计算机可以同时运行多个条件运算。

已经有一些证据证明量子计算是下一代的计算方法。这些证明大多是围绕着影响加密和安全性的高计算性算法。除此之外的一个证明是 Bernstein-Vazirani 算法，该算法用于查找锁在数字盒子中的密码。

人工智能

什么是人工智能？似乎许多人想到的都是《终结者》的著名台词 “I’ll be Back”。人们一想到机器未来会自己思考，甚至在智力上超越了人类，就会觉得人工智能现在还不完全存在。事实是人工智能自 1951 年以来就存在了。

“人工智能” 是一个非常笼统的术语，实际上包含围绕中心主题的几种不同类型或分类。一些专家将其分为三类：

1.Artificial Narrow Intelligence (ANI)

2. Artificial General Intelligence (AGI)
3. Artificial Super-intelligence (ASI)

以上的每一个都包含一种或多种不同类型的人工智能。实际上，有 4 种不同类型的 AI 被广泛接受。包括：

1. 反应型（Reactive）
2. 受限记忆（Limited Memory）
3. 心理理论（Theory of Mind）
4. 自我意识（Self Aware）

反应型 AI 是不保存任何内存的 AI。它无法使用数据并基于数据变量进行决策。这也是为什么将这种类型称为 Reactive，因为它仅限于对输入作出反应，而其输出仅限于这些变量的边界。这种类型的一个典型例子是 IBM 的深蓝国际象棋超级计算机。

第二种是受限记忆 AI。在这种类型的 AI 中，系统能够从先前学习的信息（例如存储的数据或事件）中获取和构建知识。这些先验事件被用来预测将要发生的事情。它还可以将其决策添加到过去的经验收集中。这类人工智能可以利用这些信息来分析它遇到的新事件，并根据这些数据做出明智的决策。

这一类型 AI 最好的应用案例就是自动驾驶汽车系统。自治系统对预编程知识的记忆有限。它将这些知识与可观察到的数据结合起来，根据道路规则决定如何驾驶。它能够根据所使用的数据及其知识的组合来检测驾驶模式并更改其功能。但是，这些系统不能从其所做的决策中汲取经验，因为它的功能变化很小，并且没有记录在内存中。

这就引出了 AI 的心智理论（Theory of Mind）。我们所说的能够独立思考的 AI 就是指的这种类型。在此理论中，系统能够根据输入和已知的知识数据库做出决策。除此之外，它还可以产生人类的情感，甚至在一定程度上表达出来。它也可以根据所采取的行动的结果汲取经验，从而随着时间的推移增加其知识储备。这种类型的人工智能也有能力根据自己的经验进化和适应环境的变化，从原始数据输入衍生出的原始编程中改变自己的行为。

这将是除了人类大脑之外最好的智能，只是它的完成速度可能比人脑从诞生到发育完成所花费的时间更快。一个简单明了的例子是汉森机器人公司（Hanson Robotics）的索菲亚人工智能机器人（SOPHIA AI）。另一个实例是奥克兰生物工程研究所动画技术实验室的 Baby X。这个团队创造了一个虚拟的动画婴儿，它通过观察环境进行学习，并通过一系列传感器和深层神经网络做出类似于人类儿童的反应。看上去这种类型 AI 的发展还前路漫漫，但并非遥不可及。

最终的 AI 类型是自我意识。通过名称你可能已经猜到了它的含义。在这种类型的 AI 中，系统完全能意识到自己的存在，并且能够像人类一样进行情感活动。尽管这种类型的实现现在看来还遥遥无期，但这是大多数电影中倾向的方向。一个经典的例子是《终结者》系列。

现在我们知道了不同类型的 AI 及其工作原理，这与 Quantum AI 又有什么关系呢？

量子人工智能

量子和 AI 会在哪里相遇？要回答这个问题，我们需要退后一步，了解当今 AI 的现状。

不管你是否知情，今天你所做的几乎每件事都有人工智能的痕迹。人工智能几乎可以应用于任何领域或行业，而你今天看到的人工智能最大的地方之一就是零售行业。

你有没有发现像 Amazon、Google、Netflix、Walmart 等大公司似乎总是知道你在找什么？当你登录到主页时，他们总是那么及时地推荐你需要的商品。你在 YouTube 上看到的那些广告看起来眼熟吗？大部分都是通过 AI 完成的。无需深入研究这些公司是如何跟踪和收集我们的信息，这些信息现在确实被用于机器学习。收集的数据通过算法运行以便 AI 学习和提取数据中的模式。对于网店来说，这是一种 “投其所好”，你一直在看什么，你过去买了什么，推到出来，就能知道你今天想买什么。

但是，这并不是人工智能的唯一用途。在医学领域，我们也可以看到许多可用方面。举个例子，进行医学诊断；医生会问你一些问题，安排实验室检查，然后等待结果来确认病情。他们可能会查阅相关专业书籍，或将你的病例送到专家那里，最终提出治疗方案。这种方法的主要问题是，耗时太久，可能需要几个星期甚至更长。有时，每一分钟都是提供正确治疗和挽救生命的关键。那么人工智能如何在这方面提供帮助呢？

可以用数百万个医疗案例进行 AI 训练，并确定哪种方法最适合哪些人。借助 AI，我们可以获取所有人的人口统计信息，症状，实验室测试结果，并借助机器学习或深度神经网络方法处理所有信息，这样不仅可以很快得出诊断结果，还可以制定治疗方案。在未来，有人预测，我们将会出现医护人员减少的情况，这时人工智能可能将挽救许多生命。

人工智能可以分解为几种方法：