物理学家张首晟：每一个科学家的内心都住着一位哲学家

北京时间12月6日上午消息，当地时间12月1日，美国华裔物理学家、斯坦福大学终身教授、美国科学院院士、中科院外籍院士，2017年度中华人民共和国国际科学技术合作奖获得者张首晟教授去世，终年55岁。

张首晟教授对拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、自旋电子学、高温超导等领域的研究具有重大贡献，他是“天使粒子”和“量子自旋霍尔效应”发现者，曾师从著名物理学家、诺贝尔物理学奖得主杨振宁。

今年3月25日，在2018中国（深圳）IT领袖峰会上，张首晟教授曾发表过关于“量子技术、人工智能与区块链”的演讲，我们于4月发表过整理提炼后的演讲文字。今日旧文重发，以缅怀这位在科学领域不断探索的学者。

Part1 量子计算——每一个科

学家的内心都住着一位哲学家

不少科学家的哲学造诣都很高。在哲学中，有着正负对立的世界观：有阴必有阳、有正必有负、有天使就会有魔鬼。这种哲学观念是如何在物理世界呈现的呢？

Paul Dirac是与爱因斯坦、杨振宁齐名的伟大理论物理学家。他想把爱因斯坦的狭义相对论和量子力学统一起来，在这个过程中，他做了一个简单的数学运算——开根号。大家都知道，开完根号后一般会得到正负两个解，Dirac把这个简单的数学原理抽象出正负对立的哲学观，运用到理论物理学层面，即为：所有的粒子必然有一个反粒子。

 

Paul Dirac 保罗·狄拉克

1928年，虽然他提出了“反粒子”，但世界并没有发现这个现象。当时人们对他的理论提出了质疑，Paul Dirac依然坚持自己的理论，给出了方程曲线。几年之后，电子的反粒子——正电子果然在宇宙射线中被发现，验证了有史以来最伟大的理论预言之一。

 

从此以后，宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是永恒不变的真理。但是会不会有这样一类没有反粒子的粒子，或者说它们自身就是自己的反粒子？

1937年，也就是81年前，伟大而神秘的意大利理论物理学家Ettore Majorana 猜测有这样神奇粒子的存在，这也就是我们今天所称的Majorana费米子，而Majorana本人在文章泄露天机之后不久就失踪而从此销声匿迹了，这位传奇的意大利理论物理学家一生只写过10篇文章。从那开始，寻找这一神奇粒子也就成了物理学中许多领域研究工作的崇高目标。

 

在无限深方形阱里，两个全同费米子的反对称性波函数绘图。

2010到2015年期间，张首晟与其团队连续发表三篇论文，精准预言了在哪里能够找到Majorana费米子，继而指出哪些实验信号能够作为铁证如山的证据。手性Majorana费米子的发现为持续了整整80年对这一神秘粒子的搜索画上了圆满的句号。

类比Dan Brown描述正反粒子湮灭爆炸的小说《天使与魔鬼》，张首晟提出这一新发现的手性Majorana费米子应该称为天使粒子：我们发现了一个完美的世界，那里只有天使，没有魔鬼。

《天使与魔鬼》电影海报

量子计算机和经典计算机的区别？

Majorana费米子能够用于构造稳固的拓扑量子计算机。量子世界本质上是并行的，一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。所以量子计算机能够进行高度并行的量子计算，远比经典计算机有效。

量子计算机成为了全球科技公司都特别关注的一个领域，谷歌、微软、IBM等都在做投资。

但目前行业存在一个难点：一个量子比特非常不稳定，比如说50个量子比特中，有用的比特到底是多少？如果只有一个有用的比特，往往在这种量子计算的框架下需要10个、20个甚至40个、50个纠错的比特来为它服务，这样使得量子计算很难真正实现。

 

天使粒子的发现，从根本上解决了这个问题，并不是说把量子比特做的越多越好，而是要让量子比特本身自带纠错的能力，即把一个通常的量子比特能够拆分成两个天使粒子。如果能够用天使粒子做量子计算机的话，这可能会对量子计算真正实现突飞猛进的发展。

Part2 人工智能的最高标准：

机器可以独立完成科学发现

人工智能是60年代提出的一个概念，今天之所以能突飞猛进，得益于这三大潮流：

 

»1.根据摩尔定律的不断迭代，计算能力每过18个月就可以翻倍一次。如果用上量子计算的话，计算能力又会有所增长。

»2.互联网和物联网的产生带来了大量的大数据，这些大数据将帮助计算机更好地学习。

»3.智能算法的发现。

虽然目前阶段，整个人工智能有突飞猛进的改变，但还处在非常早期的阶段，今后的前景还是非常广阔。现在人工智能是在简单模仿人的神经原，但是更应该思考的是在这里面有基础科学重大突破的机会，就是真正去理解智慧和智能的基本的原理、基本的数学原理，这样可以使人工智能突飞猛进地变化。

举个小例子：将众多的化学物质全部给到机器，机器可以通过整合，发现元素周期表。独立地完成科学发现，才能真正到达人工智能的标准。

Part3 区块链的关键词：

去中心化

人工智能最缺的是数据，而现在的数据是由中心机构垄断的。前不久Facebook的数据泄露引起了用户的担忧。这些数据像被盗一样，在未经允许的情况下被使用了。

这是未来区块链要解决的一个问题。因为每个人会产生很多数据：基因数据、教育数据、医疗数据等等，以前因为没有区块链，我们无法做到去中心化。但现在区块链的产生，使得我们可以每个人都拥有自己的数据，实现完全去中心化的愿望。有了去中心化的储存，黑客也不可能去黑每个人的个人数据。然后用一些加密的算法，在区块链上面真正能够达到又保护个人的隐私，又能够做出非常良好的计算。