在量子云端同步自我记忆与意识


四月了,我的生日也要到了,自我17岁进大学,到今年有17年了,还记得高考作文题是《假如记忆可以移植》。可惜,尽管我中学读过很多科幻小说,这篇作文也没有写好。17年来兜兜转转,科研上一直受中学时所读科幻小说的启发。今年我发表了一篇研究传输细菌内部状态和记忆的论文,是对当年高考作文失利最好的回应。我想是时候就“记忆移植”这个主题再写一篇作文了。

今天看到朋友圈和微博上在讨论Me2:据说借助最新的量子智能研究成果,Me2可同步和数据化你的大脑——包括记忆、思维习惯、价值观。Me2是你在数字世界中的分身和平行大脑,是一种个性化的人工智能助手。这显然只是一个带有科幻色彩的概念设计,目前根本做不到。如果未来大脑真的能跟外部设备连接起来,我可不想只用来控制家电,而是把大脑接入到网络上。这样除了人脑自身的记忆之外,还有海量的互联网信息作为人脑的外部存储。而人也可以把自身的记忆上传到云端,与之同步。现有的技术大概能根据脑电波粗略的分析大脑的指令,但是距离实现对大脑信息精准的读取还很远。如何把信息直接复制到活着的大脑内,更是好无头绪,这有待于神经科学的进一步发展。

即使上述障碍都解决了,据科学美国人上的一篇文章估算,人脑的容量上限大概是 2.5 PB(250万GB),要把这么巨量的记忆上传到云端绝对不是一件容易的事情。让我们假想一下,未来人脑与电脑的接口技术成熟了,从人一出生的婴儿时期,就开始在云服务器上备份自己的记忆,那么每天只需要在睡眠时上传少量的新记忆,这似乎并不难。拥有这个云端的大脑后,我们也许永远不会遗忘了。

从另外一个角度来看,这个记忆同步技术,实际上是让人从碳基生命走上了碳-硅混合生命体的不归路。当人从一出生时,记忆就在云服务器端有备份时,这个云端的服务器也就成为了他的第二大脑。在这个技术背景下长大的新一代人,他们的记忆,思考和计算,都离不开网络云端了。从这个角度上看,人的自我意识,也有一部分依赖于云端的电脑内存与运算了。接下来很自然的,我们会希望把自我意识上传到云端备份,甚至让云端与人脑共享同一个自我意识,最终实现自我意识在电脑云端的永生。问题是,云端的硬件能支持自我意识的产生么?我想这个问题与自由意志有关系。如果我们相信人脑产生的自我意识是有自由意志的,这种自由意志应该是来自于量子物理规律,人脑内应该有一部分用到了量子物理。经典的物理学中,一切都是被初始条件与边界条件决定的,不存在自由意志。依赖于经典物理进行编码和运算的计算机,也不可能有自由意志,因而不能产生类似人的自我意识。从这个角度上来讲,要能备份具有自由意志的人的意识,必须要做出真正的量子计算机。

利用量子信息技术,人们已经可以实现两个自由度信息的量子隐形传输。未来可以实现更多量子信息的同时传输。假设人脑与意识有关的那部分信息是用量子比特来存储和传输的,利用量子隐形传态的技术,未来也许可以把人脑负责意识的那部分量子信息上传到云端的量子计算机上。但是按照量子不可克隆定律,人脑内的这部分信息就被抹去了。换句话说,被传输到量子计算机上之后,原来的大脑内可能已经没有自我意识了。真有这一天的话,我们人类也许就会舍弃肉身躯壳,慢慢过渡到硅基生物。

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理论物理学家、编剧和畅销书作者


Leonard Mlodinow, 一个很有意思的人。他是理论物理学家,加州大学伯克利分校博士毕业。博士论文曾经被Witten引用,一时名声大噪,被加州理工雇佣为研究员,办公室与费 曼在同一层。费曼是他的偶像,正是费曼物理讲义激励他走入理论物理的研究世界的。他经常去找费曼聊天,希望获得研究的灵感,却总被费曼说,你得自己找感兴 趣的事情,而不是问别人。后来在费曼的鼓励下,他从高能物理转向研究量子光学。

但他发现,最喜欢的还是写作。他带着六千美元积 蓄去好莱坞打拼,成为了知名编剧,写过star trek next generation等著名电视剧剧本。然后写科普书,儿童读物和以及做电子游戏制作人。后来他与霍金合写的《大设计》这本书成为了纽约时报畅销书榜单的 榜首。后来,2005年他又回到加州理工,继续写科普书,同时做科研也是他的业余爱好。他2014年还发表过一篇学术论文,在PRE上。不仅如此,这篇有关时间箭头的论文还被编辑找人撰文推荐了。

今天我读了他写的书《费曼的彩虹》, 觉得很赞。在这本书中,Mlodinow描写了一批在加州理工工作的物理学大师,除了费曼,还有发现夸克的盖尔曼,弦论之父史瓦兹。他们与费曼是不同类型 的物理学家,但在追求真理,坚持自己的创见方面上一致的。在盖尔曼的支持下,史瓦兹在加州理工坚持近十年,研究非主流的弦论,一直不被重视,职位也一直是 临时的研究员,直到1984年取得突破。

我回过头来查作者Mlodinow的资料,才发现他有如此精彩的人生。看来他后来的人 生选择与费曼的影响分不开。费曼告诉他,要自己寻找有意义的东西去研究和追寻。他选择跟随自己的内心,在诸多领域都取得了很好的成就。这让我想到费曼的师 弟,加州理工的索恩教授,退休后也参与了好莱坞电影的创作。看来加州理工与好莱坞真是有紧密的联系。

我与本科生的合作


更新:孔令航拿到了美国麻省理工学院物理系的博士奖学金,马越拿到了英国帝国理工学院物理系的博士奖学金。最让我骄傲和自豪的是,来自外交学院英语专业的徐启东拿到了美国达特茅斯学院物理系的博士奖学金。达特茅斯学院是美国的常春藤大学之一,具有很高的声誉。

4年前,我博后出站,来清华大学工作。由于职位与职称所限,我并没有招收研究生的权利。幸好,2年多前,有一位本科生孔令航找到我,希望跟我做科研训练,开启了我与本科生合作做研究的历程。与本科生合作,我尽量做到针对各人不同的背景和能力来设计研究课题,他们必须要努力才能学到新知识,然后才可以完成一篇足以发表的论文。

孔令航当时大二,是计算机科学实验班(姚班)的。考虑他的背景,我给了他一篇正在写的有关量子纠错码的文章让他读。 他学得飞快,不久就学懂了,并把文章中的几个待解决的问题搞定了。于是我与合作者商量后,决定与他合作把这个量子纠错码的文章扩展为一篇长文。这个工作去年已经投稿了。孔令航后来大三下学期到暑假在MIT和加拿大滑铁卢大学都访问过,与那边研究者合作完成了一篇论文

马越是第二位来找我的本科生,她是清华大学物理系基科班的,当时也是大二。我让她去学习有关光力学量子物理方面论文,经过一年多的努力,她也完成了那篇加热来冷却机械振子的论文,刚刚贴到arXiv上。马越曾经利用暑假去英国某大学访问过两个月,在那边她也参与了一个研究项目。目前马越正在跟我做毕业设计,我们在与实验组合作做一些新的、有趣的题目。

黄逸洲是第三位来找我的学生,他是清华大学计算机科学实验班大三的学生。一年多前他大二的时候找到了我,我让他研究基于超导电路的量子计算与量子模拟。有关的量子光学和数值模拟的技术都是他自学的。我给了他一篇有趣的文献,让他分析一下实验验证的可行性。后来我们在此基础上加以推广,也完成了一篇论文

徐达与马越是同班同学,他在大三下学期来找到我做科研项目。当时我看到诺贝尔奖获得者Frank Wilczek教授写了两篇纠缠历史的论文,就让徐达学学。后来我们与Wilczek教授合作完成了对纠缠历史的实验验证,更详细的过程我会另外撰文介绍的。现在徐达与我正在一起进一步的研究纠缠历史的内涵与外延,希望能有进一步的发现。

最后一位是徐启东同学,来自外交学院,本科专业是英语翻译。他大三的时候找到我,说他希望研究生时能转行念物理,所以想试着做点科研训练。我试着给了他一些文献,发现他自学能力很强:物理虽然是自学的,但是蛮扎实,数值计算的能力也不错。我给了他几篇文献,告诉他一个简单的思路,他很快就能通过解析与数值的办法来证明这个想法,很不错!我们合作的论文前不久贴到了arXiv上。

还有三个多月,孔令航、马越、徐达和徐启东就要毕业了,他们都选择念物理的研究生。不出意外的话,黄逸洲也会继续念研究生。我很幸运,能与这些天才的本科生合作,完成了一些蛮好的研究工作,同时也与他们一起学习了很多新的知识,拓展了研究领域。有了这些经验,我希望未来自己与学生们的合作能更富有成果,学生们也能有更多的收获,毕业后走向更加宽广的学术或者工作舞台。

量子纳米冰箱


我还记得小时候,一到三伏天,家里面就酷热难当,实在无法入睡,只得在屋外躺在凉席或者竹床上,数着星星睡觉。直到有一天,父母买了空调,我们才终 于摆脱了炎炎夏日,能舒服的睡觉了。夏日里最高的享受,莫过于在炎热的太阳底下吃一根冰棒了。有了冰箱后,家里可存储很多冰棒,想吃的时候随便吃。空调与 冰箱真是最伟大的发明,连爱因斯坦都发明过不用氟利昂的环保冰箱

前些年,纳米技术刚大行其道的时候,“纳米冰箱” 也被商家炒作过。其实那只不过用纳米技术改进了一下冰箱的材料,让它的内壁不容易滋生细菌什么的。最近,我们提出了一种纳米尺度的制冷机,如果能够实现, 那真的可以称之为纳米冰箱,因为它的整体尺寸只有几百纳米(约为头发丝宽度的千分之一)。想起来也很有意思,纳米冰箱、纳米洗衣机等商业炒作大行其道之时,我也曾 经私下里对此嗤之以鼻。现在自己居然也提出了一款新的纳米冰箱。回过头来看,只能说纳米冰箱这个概念确实吸引人,它激发了人们去思考最小的制冷机能做多小。

制冷原理

我们所提出的这款纳米冰箱,可以直接通过加热来制冷,这听起来很反直觉,对不对?其实并非如此。从基本原理上来说,空调和冰箱就是热 机,从低温区吸收热量,然后在高温区释放热量,所要付出的代价是外界要给它做功。这与发动机正好相反,发动机可以从高温区吸热,在低温区放热,同时把一部 分热能转换为机械能做功。我们设计这个制冷机是一个只有几百纳米长的金刚石机械振子,形状与跳水比赛中的踏板很像,如下图所示。

纳米制冷机

我们假定金刚石振子的尖端中有一个原子缺陷,叫做氮空位色心,可以发光。在色心下面放置两个磁头,产生很强的二阶梯度磁场,引发色心电子自旋与振动的耦合。 如果色心电子的能级差正好与振子中两个机械振动模式的频率差匹配时,我们发现,对低频的振子模式加热,会降低高频率模式的温度,多余的能量通过激光照射色 心发荧光来带走。低频模式的温度越高,冷却的效果越好。此时,对低频模式加热就等于是外界对它做功,而高频率模式的热量会被这个纳米热机带走,金刚石色心 起了制冷剂的作用,类似于普通冰箱中的氟利昂。随着低频率模温度进一步上升,高频模被冷却到量子基态都是有可能的。可见,这不仅是纳米冰箱,还是量子冰 箱。

这篇论文的第一作者是清华大学物理系大四本科生马越,合作者为中科大的黄璞博士与杜江峰院士,以及中科院武汉物理数学所的杨万里博士。马越同学已经拿到了英国帝国理工学院的录取通知书和奖学金,秋季将去那里念博士,祝她有广阔的前程!

参考文献:Yue Ma, Zhang-qi Yin*, Pu Huang, W. L. Yang, and Jiangfeng Du*, Cooling a Mechanical Resonator to Quantum Regime by heating it, arXiv:1603.05807