中國(guó)科大在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法。日前，國(guó)際權(quán)威物理學(xué)期刊《物理評(píng)論 快報(bào)》發(fā)表了這一論文[Phys. Rev. Lett. 114, 110504 (2015)]。這是量子計(jì)算應(yīng)用于大數(shù)據(jù)分析和人工智能領(lǐng)域的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)工作。

機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的核心，通過使機(jī)器模擬人類學(xué)習(xí)行為，智能化地從過去的經(jīng)歷中獲得經(jīng)驗(yàn)，從而改善其整體性能，重組內(nèi)在知識(shí)結(jié)構(gòu)，并對(duì)未知事件進(jìn)行準(zhǔn)確的推斷。機(jī)器學(xué)習(xí)在科學(xué)和工程諸多領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用，例如金融分析、數(shù)據(jù)挖掘、生物信息學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷等。生活中常見的一些智能系統(tǒng)也廣泛使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，例如電子商務(wù)、手寫輸入、郵件過濾等。

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，人類產(chǎn)生的電子數(shù)據(jù)正在以每?jī)赡攴环脑龇ㄊ皆鲩L(zhǎng)。據(jù)估計(jì)，人類在過去三年間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量超過了之前幾千年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量。另一方面，隨著后摩爾時(shí)代的到來，經(jīng)典計(jì)算機(jī)芯片尺寸難以進(jìn)一步縮小，計(jì)算速度的進(jìn)一步提升受到限制，科學(xué)家預(yù)測(cè)機(jī)器學(xué)習(xí)等大數(shù)據(jù)分析任務(wù)在未來或面臨大數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)的巨大挑戰(zhàn)。

應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，歐美主要發(fā)達(dá)國(guó)家政府和高科技公司已經(jīng)在積極整合研究力量和資源，搶灘布局，力爭(zhēng)在量子信息技術(shù)應(yīng)用方面占據(jù)先機(jī)。例如，2013年，美國(guó)國(guó)家航空航天局和Google聯(lián)合成立了量子人工智能實(shí)驗(yàn)室。2014年，英國(guó)牛津大學(xué)、諾基亞公司、和全球最大軍火供應(yīng)商洛克希德馬丁公司合建了量子優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)中心。

2013年，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）塞斯·羅伊德（Seth Lloyd）教授提出理論預(yù)言，利用量子系統(tǒng)在處理高維向量上的并行計(jì)算優(yōu)勢(shì)，可以為機(jī)器學(xué)習(xí)帶來指數(shù)量級(jí)的加速，將能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。理論估計(jì)，計(jì)算兩個(gè)億億億維向量的距離，用目前最快的、每秒鐘億億次運(yùn)算速度的經(jīng)典計(jì)算機(jī)大概需要十年，而用GHz時(shí)鐘頻率的量子計(jì)算機(jī)則可需要不到1秒的時(shí)間。

潘建偉小組發(fā)展了世界領(lǐng)先的光量子計(jì)算物理實(shí)現(xiàn)研究平臺(tái)，在國(guó)際上率先實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于量子比特的機(jī)器學(xué)習(xí)算法演示。該算法的核心是通過以經(jīng)典數(shù)據(jù)編碼的微觀量子態(tài)和輔助量子比特的糾纏，快速提取出不同向量間的內(nèi)積、歐幾里得距離等信息。審稿人一致評(píng)價(jià)該工作“非常前沿，具有高度的興趣”、“在量子機(jī)器學(xué)習(xí)這個(gè)重要而有趣的課題邁出了第一步”。PhysOrg等國(guó)際科學(xué)新聞媒體報(bào)道了這一工作。

在中科院、教育部、科技部和基金委的長(zhǎng)期支持下，潘建偉團(tuán)隊(duì)對(duì)光學(xué)量子計(jì)算開展了系統(tǒng)性和戰(zhàn)略性的研究，取得了一系列開創(chuàng)性的成果：在世界上率先實(shí)現(xiàn)了五光子、六光子、八光子糾纏，制備了最高品質(zhì)量子點(diǎn)單光子源，構(gòu)建了基于多光子比特操縱的量子計(jì)算演示驗(yàn)證平臺(tái)，開展了光子邏輯門、容失編碼、拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)、多自由度隱形傳態(tài)等面向可擴(kuò)展量子計(jì)算的研究，首次實(shí)現(xiàn)了肖爾大數(shù)分解算法、任意子分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)的量子模擬、求解線性方程組量子算法和量子人工智能算法等，在光學(xué)量子計(jì)算領(lǐng)域一直保持著國(guó)際領(lǐng)先地位。