谷歌“量子霸权”将人类推进超级计算的火箭时代

作者 | 张佳、大明

来源 | 新智元

上周末，据《金融时报》等多个信源报道，谷歌研究人员在美国航空航天局（NASA）网站上发表的一篇论文中表示，谷歌的处理器能够在 3 分 20 秒内执行完成当今最强大的超级计算机 Summit 需要 10000 年才能完成的计算。但随后该论文从 NASA 网站被撤下。 研究人员表示，这意味着谷歌的量子计算机已实现了“量子霸权”（Quantum Supremacy）。量子霸权是量子计算设备解决经典计算机实际上无法解决的问题的潜在能力。 该研究人员预测，这是谷歌全面迈向量子计算时代的里程碑。根据理论值，量子计算机的数据处理能力将以双指数速度发展。但研究人员也表示，该系统目前只能进行单一的、技术性很强的计算，使用量子计算机解决实际问题还需要数年时间。 关于量子计算发展是否会对区块链技术造成威胁，目前国际密码学界公认基于 Hash 函数的数字签名（Hash-based cryptography）能抗量子计算机攻击，如 Merkle 在 1989 年提出的认证树签名方案，它的安全性基于 Hash 函数的安全性。目前尚不存在有效针对一般 Hash 函数的量子计算机攻击。

人脑很有趣，某些记忆可以永远伴随着我们，比如孩子的出生、车祸、选举日。但是，我们只存储一些细节（医院分娩室的颜色或投票站的气味），而其他一些细枝末节则被遗忘。对于谷歌 CEO 桑达尔·皮查伊（Sundar Pichai）来说，看到 AI 从实验室崛起的那一天是他永远铭记的日子。

谷歌 CEO 桑达尔·皮查伊

皮查伊说：“那是 2012 年，当时还是一个小团队，房间里只有我们几个人。” 一位名叫杰夫·迪恩（Jeff Dean）的工程师一直在从事一个新项目，并希望皮查伊来看看。杰夫是谷歌的传奇程序员，曾帮助构建其搜索引擎。皮查伊说：“每当杰夫想和你汇报，无论是什么事，你都会因此感到兴奋。”
杰夫·迪恩
皮查伊并没有确切回忆起杰夫展示他的作品时是在哪幢楼里，但那天的奇怪细节却一直挥之不去。他记得自己是站着而不是坐着，有人开玩笑说，HR 将新聘用的 Geoffrey Hinton （“深度学习之父”，一位 40 年的 AI 研究员，后来又成为了图灵奖得主）指定为实习生。 谷歌未来的 CEO 当时是一名高级副总裁，负责运行 Chrome 和 App，他并没有考虑过 AI。没错，谷歌联合创始人拉里·佩奇（Larry Page）和谢尔盖·布林（Sergey Brin）在 12 年前曾公开表示，人工智能将使公司转型：“理想的搜索引擎很聪明，它必须理解你的查询，并且必须了解所有文档，这显然是 AI。”佩奇在 2000 年 5 月告诉《在线》杂志。
谷歌联合创始人拉里·佩奇
但在谷歌和其他地方，尽管有着宏伟的承诺，但机器学习几十年来一直只能提供微不足道的结果。不过现在，强大的力量正在谷歌的服务器内部激荡。

谷歌即将实现“量子霸权”
一年多来，迪恩、NAndrew Ng 和他们的同事一直在建立一个庞大的互连计算机网络，这些计算机以模拟人脑的方式连接在一起。该团队已经在 1,000 台计算机中设计了 16,000 个处理器，这些加在一起能够建立 10 亿个连接。尽管与人脑的 100 万亿个连接的能力仍然相去甚远，但对于计算机系统而言，这是史无前例的。
为了测试这种庞大的神经网络如何处理数据，工程师进行了一个看似简单的实验。连续三天，他们给这台机器提供了数以百万计的来自 YouTube 视频的随机图像。他们没有给它其他指示，等着看如果它自己留下会做什么。工程师们发现，在 YouTube 上的计算机与人类大脑没有什么太大不同。在计算机内存的一个较远的地方，迪恩和同事发现它自发地产生了一个模糊的、经过像素化的图像。该图像显示了计算机在三天内反复看到的一个东西：一只猫。 这是一台教自己思考的机器。 当皮查伊第一次从谷歌服务器上看到这种智能出现的时候，他还记得自己的思维发生了转变，有种预感。他说：“这件事将会扩大规模，也许会揭示宇宙的运作方式。” “这将是我们人类最重要的工作。” AI 在谷歌内部的崛起就像一次旅行，数十亿人聚集在一起，奔向一个我们完全不了解的数字未来，我们无法选择退出。其中很大一部分由谷歌主导。地球上几乎没有其他公司（更不用说政府）有能力或雄心壮志推进计算机化思维。谷歌运营的产品比世界上任何一家科技公司都多，拥有 10 亿用户：Android、Chrome、Drive、Gmail、Google Play Store、地图、照片、搜索和 YouTube。除非你生活在中国，如果你有互联网连接，你肯定依赖谷歌来增强你大脑的某些部分。 皮查伊接任首席执行官后不久，他于 2015 年着手将谷歌重塑为“AI 第一”公司。它已经有几个以研究为导向的 AI 部门，包括 Google Brain 和 DeepMind （于 2014 年收购），皮查伊专注于将所有关于智能的情报转化为新的更好的谷歌产品。Gmail 的 Smart Compose 于 2018 年 5 月推出，已经在每周电子邮件草稿中建议字符数超过 20 亿个。谷歌翻译可以用你不会说的语言重新创建你的声音。谷歌的 AI 的个人助理 Duplex 可以通过电话为你预约，声音听起来很人性化，许多人接到电话并不知道这是一个机器人，从而引发了伦理问题和公众投诉。 谷歌的 AI 影响力的影响范围远远超出了该公司的产品范围。外部开发人员（无论是初创企业还是大型公司）现在都使用谷歌的 AI 工具。现在有数百万台使用 Google AI 的设备，而这仅仅是开始。谷歌即将实现所谓的“量子霸权”。这种新一代计算机将能够比普通计算机快一百万倍或更多倍地破解复杂方程。我们即将进入计算的“火箭时代”。

*AI：技术和伦理的“双刃剑”*

用好了，人工智能有很好的潜力，可以帮助社会。它可能找到治疗致命疾病的方法（谷歌高管说，它的智能机器已经比人类医生早一年发现肺癌）、喂养饥饿者甚至解决气候问题。
用不好，人工智能可能会赋予暴君权力、粉碎人权、破坏民主、自由和隐私。美国公民自由联盟于 6 月发布了题为“机器人监视的黎明”（The Dawn of Robot Surveillance）的报告，该报告警告说，在美国已经安装的数以百万计的监控摄像头（例如谷歌出售的摄像头）如何能够利用 AI 来实现政府对公民的监控。同月还有一个诉讼，指控谷歌在医院使用人工智能侵犯了患者的隐私。 人类历史上的每一次强大的进步都被善与恶所利用。印刷机使托马斯·潘恩（Thomas Paine）的《常识》得以传播，也使阿道夫·希特勒的法西斯宣言《我的奋斗》（Mein Kampf）得以传播。然而，在人工智能的帮助下，这种困境还有一个层面：印刷机无法选择它印刷什么。而人工智能，当它达到它的全部潜力后，将能够做到这一点。 现在是时候问问题了。OpenAI 的联合创始人 Greg Brockman 说：“想想人们希望发明火，开始工业革命或发展原子能的各种想法。” 左派和右派的政党都认为谷歌太大了，需要分拆。支离破碎的谷歌是否会使 AI 民主化？ 在谷歌内部，各派系正在为人工智能的未来展开竞争。成千上万的员工正在反抗他们的领导人，试图阻止他们正在建造的技术来帮助政府间谍或发动战争。谷歌决定如何开发和部署它的人工智能，可能会决定这项技术最终会帮助还是伤害人类。“一旦构建了这些 AI 系统，它们就可以在全球范围内部署，”LinkedIn 联合创始人 Reid Hoffman 解释说。“这意味着，它们的创造者的任何对错都将产生相应的大规模影响。”
Reid Hoffman

*TensorFlow：是礼物还是“特洛伊木马”？*

“一开始，神经网络是未经训练的，”杰夫·迪恩在谷歌的一个活动中说。这次活动上，谷歌向开发者和世界其他地方透露下一步行动方向。 去年，皮查伊任命迪恩为 Google AI 的负责人，这意味着他要负责公司将在哪些方面进行投资和建设。迪恩的部分职责是将 YouTube 神经网络实验扩展到一个新的框架中，以训练他们的机器进行大规模思考。该系统始于一个名为 DistBelief 的内部项目，包括 Android，Maps 和 YouTube 在内的许多团队开始使用该项目来使他们的产品更智能。 但是到了 2014 年夏天，随着 DistBelief 在谷歌内部的发展，迪恩开始发现它存在缺陷。它的设计并不是为了适应技术的变化，例如 GPU （处理图形的计算机芯片）的兴起或语音作为高度复杂的数据集的出现。另外，DistBelief 最初并不是设计为开源的，这限制了它的发展。因此，迪恩做出了一个大胆的决定：构建一个向所有人开放的新版本。2015 年 11 月，皮查伊推出了 DistBelief 的继任者 TensorFlow，这是他担任 CEO 以来的首个重要公告。 向谷歌以外的开发人员开放 TensorFlow 的重要性不言而喻。“人们迫不及待地想要掌握它，”全球最大的计算机芯片设计商之一 ARM 的机器学习主管 Ian Bratt 说。如今，Twitter 正在使用它来构建机器人以监控对话、对推文进行排名并吸引人们花更多的时间来刷推特。空客公司正在训练卫星，使其能够在几英尺内检查几乎地球表面的任何部分。新德里的学生已经将移动设备转变为空气质量监测仪。去年春天，谷歌发布了 TensorFlow 2.0 的早期版本，这使没有经验的开发人员可以更轻松地使用其 AI。最终目标是让创建人工智能应用程序和建立网站一样简单。

TensorFlow 现在已被下载约 4100 万次。数以百万计的设备（汽车，无人机，卫星，笔记本电脑，电话）使用它来学习，思考，推理和创造。公司内部文件显示了一个图表，该图表跟踪了谷歌内部 TensorFlow 的使用情况（从广义上说，它跟踪了机器学习项目）：自 2015 年以来增长了 5,000％。 不过，技术内部人士指出，如果 TensorFlow 是给开发人员的礼物，那么它也可能是特洛伊木马。一位不愿透露姓名的前谷歌工程师说：“我担心他们正试图成为 AI 的守门人。”目前，TensorFlow 只有一个主要竞争对手，即 Facebook 的 PyTorch，PyTorch 在学术界很受欢迎。这使得谷歌对人工智能的基础层有了很大的控制权，并且可以将其可用性与其他谷歌命令联系在一起。这位前谷歌工程师继续说道：“看看（谷歌）在安卓上做了什么。“去年，欧盟监管机构对谷歌处以 50 亿美元的罚款，原因是该公司要求电子制造商在运行其移动操作系统的设备上预装谷歌应用。谷歌极具吸引力，但它在欧洲和印度的竞争行为都面临进一步调查。

谷歌通过 AI 开发创造了对可以投放市场的新工具和新产品的需求。TPU 就是个成功的例子。TensorFlow 的成功赢得了谷歌领导层的信任。谢尔盖·布林（Sergey Brin）在 2017 年世界经济论坛的一次采访中回忆说：“那时候每个人都知道 AI 没用，人们尝试过，尝试了各种神经网络，但没有一个管用。”

即使在杰夫·迪恩和他的团队开始有进展时，布林一度还是不屑一顾。他说：“迪恩会定期来找我，对我说，‘看，计算机拍下了一只猫的照片。’我说，‘好吧，杰夫，太好了。’但是布林现在承认，AI 是“我一生中最重要的计算开发。”

Maven 风波的教训

今年谷歌开发者大会上，谷歌负责创新的负责人 Jen Gennai 主持了一场有关“谱写公平，道德的人工智能和机器学习的新篇章”的会议。她表示：谷歌确定了四个“红线领域”，我们不会开发的技术、不会制造或部署武器、不会部署我们认为违反国际人权的技术、以及不会使用会造成“全面伤害”并“收集或使用信息进行监视，违反国际公认准则的技术。 但来自其他公司的一些开发人员不满意。一位大公司的员工说：“我觉得这还不够。”这位员工经常使用 TensorFlow，并与谷歌合作。“他们告诉我们，‘不用担心。我们知道了。我觉得其实他们并不了解。” 这些开发人员完全有理由对此表示怀疑。谷歌的言辞往往与其行动形成鲜明对比，比如引发轩然大波的 Maven 项目和 Dragonfly 项目，都反映出 AI 研究的道德风险。在因这些争议项目而导致的员工抗议中，一位谷歌工程师直接与迪恩面对面。工程师告诉我说：“我们需要知道：红线是什么？哪些事情是您永远不会做的？”这位员工最终辞职抗议。

当今天被问到关于人工智能的阴暗面时，迪恩变得严肃起来。他在谈到他们在 Maven 项目时说：“我们公司的员工非常直言不讳我们应该与国防部一起做什么。” 迪恩提到谷歌不会开展研究的 AI 应用列表。“其中之一就是自主武器。对我来说，这是我不想做的事或与之无关的事情。”。 在 Maven 项目引发的争议中，The Intercept 和 The New York Times 发布了谷歌员工的电邮记录，揭示了谷歌内部对于公司 AI 野心的担忧。“我不知道如果媒体开始选择谷歌正在秘密制造 AI 武器的主题，”当时 Google Cloud 的首席 AI 科学家（也是 Google AI 开发原则的作者之一）李飞飞在邮件中对同事表示。

“这个项目需要完全避免对人工智能的任何提及或暗示。AI 武器化可能是 AI 最敏感的主题之一。她还建议，公司应植入一些关于谷歌民主化 AI 的正面故事，并称之为“人文 AI”。“我会非常谨慎地保护这些正面形象。”她写道 。 这些 AI 抗议活动造成了持续的公关危机。今年 3 月，谷歌宣布成立一个高级技术外部咨询委员会，AI 道德委员会，但在一周后，数千名谷歌员工抗议其组成成员中有恐同倾向，否认气候变化，该委员会不久便宣告解散。 谷歌 CEO 皮查伊本人深度介入此事。去年 11 月，他写信给员工，承认谷歌的失误。他说：“我们认识到过去没有能够一直把所有事情都做对，对此我们深表歉意。很明显，我们需要做出一些改变。”但是，关于谷歌如何部署技术的争议继续困扰着这家公司。今年 8 月，一个名为 Googlers for Human Rights 的员工组织发布了一个公开请愿书，该组织收集了 800 多个签名，要求谷歌不要向海关和边境保护局、移民和海关执法局或难民安置办公室提供任何技术。 皮查伊在接受采访时表示，人们对人工智能的危险的担忧已经过分夸大了。他说：“对于人们来说，了解不需担心的事情也很重要，而且我们确实有时间。” 皮查伊希望谷歌可以通过展示其优点来平息对 AI 危害的任何忧虑。

根据一项被称为“社会公益 AI”的倡议，谷歌正在通过机器学习来解决“世界上最大的社会、人道主义和环境问题。”有一些团队利用 AI 来预测洪水，追踪鲸鱼，诊断癌症和检测非法采矿和伐木等。谷歌于 2018 年发起的 AI 挑战赛，向慈善机构和初创公司提供了 2500 万美元奖金，这些慈善机构和初创公司将 AI 技术用于拯救雨林、扑救大火等项目上。 此外，谷歌还撤回了两项有争议的项目。去年 12 月，尽管竞争对手亚马逊（Amazon）推出了自己的面部识别软件，但谷歌却搁置了面部识别软件项目，有员工抗议并指控这种软件使执法人员能够对公民进行种族歧视。

一位内部人士估计，此举可能会使谷歌损失数十亿美元的收入。谷歌还出于道德方面的考虑而退出了一项向五角大楼提供云计算的价值 100 亿美元的项目的竞标，而亚马逊和微软仍在竞标中。

量子霸权：新时代的“Hello，World”

这是加州圣芭芭拉的一个阳光明媚的下午，但谷歌实验室内的温度计读数为 10 密耳尔文，大约比绝对零值高 1 开尔文。“这是宇宙中最冷的地方，”在实验室工作的研究科学家埃里克·卢塞罗（Erik Lucero）告诉我。他指着一个闪亮的金属容器说：“在这里边比宇宙还冷。”容器就像一个油桶，由铜制成，并镀有真金。由铌-钛制成的粗粗的线从容器顶部引出，像章鱼一样，向处理器传送控制和测量信号。 这个“油桶”包裹着地球上最脆弱，功能最强大的机器之一：量子计算机。如果一切按计划进行，它将以可能重塑我们对宇宙的认识，重塑人工智能的能力。 自上世纪 80 年代以来，量子计算的梦想就一直存在，当时为制造原子弹而发起的“曼哈顿计划”的最初成员之一理查德·费曼（Richard Feynman）开始通过调整量子力学，来理论化解锁计算能力的方法。今天，我们的计算机运行的信息位是零或一。相比之下，量子计算机创建量子比特，零和一可以同时存在。量子比特可以更快地处理某些种类的信息。快多少呢？一个 300 量子比特的量子计算机，可以执行的同时计算数与宇宙中存在的原子数量一样多。 “这些实际上就是量子比特，” Lucero 说道。我在显微镜下看到了一些模糊的黑色的“X”，一共有 22 个。在实验室的其他地方，谷歌已经创建了 72 个量子比特。目前，它们只能存活 20 微秒，而且条件必须比外太空冷。 为了制造商业上可行的量子计算机，谷歌将需要产生足够数量的量子比特，并使保持其稳定无错误的时间足够长，以便实现重大的计算突破。其他实验室也在这个领域竞争，但谷歌召集了世界上最重要的一些专家，取得的进展超过了任何人的预期：

去年 12 月，谷歌在普通笔记本电脑上测试了当时性能最高的量子处理器，结果普通笔记本电脑获得了胜利。几周后，在对处理器进行了一些调整之后，它击败了笔记本电脑，但仍然落后于台式机。今年 2 月，量子计算机的性能超过了实验室中的其他所有经典计算机。 领导谷歌量子团队的 Hartmut Neven 在 5 月份的谷歌量子春季研讨会上介绍了实验室的进展，将处理能力的提高描述为双指数，这是一个令人费解的方程式，如下所示： 在计算机科学界，量子计算的这种增长被称为 Neven 定律，这是对摩尔定律的认可，摩尔定律假定“经典”计算技术的进步使芯片上的晶体管数量每 18 个月增加一倍。 现在，谷歌的团队正在努力实现“量子霸权”里程碑。谷歌的量子计算机要发挥其全部潜力，还需要数年的时间。但是在实验室中，这一刻的预期是显而易见的。卢塞罗站在准备实现这一壮举的机器旁边说：“目前，如果没有量子计算机，人类将无法解决问题。从整体上讲，您即将目睹人类的新潜力，这是多么令人兴奋的事。” 实验室里有节奏地嗡嗡作响，那是量子比特孵化的声音。当计算机可以在平行平面上以指数级的速度思考和计算时，这对人类意味着什么？这项新兴的科学或许能够解释宇宙中最深的奥秘——暗物质，黑洞，人脑。

Lucero 说：“这是新的 'Hello，World！' 时刻。”他指的是 1984 年推出的 Macintosh，它为新一代编程开启了一个新时代。现在，谷歌开启了通往量子计算新宇宙的大门，我们都需要为之做好准备。

张佳、大明 作者

Sonny Sun 编辑

   Roy   **排版******

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本文转自公众号“新智元”

原标题为《谷歌 AI 发展史：“量子霸权”将人类推进计算的火箭时代！》

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