光速思考

內(nèi)容概要

多少世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家與幻想家一直在夢(mèng)想一種智能。它的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了常人的想像，似乎只能存在于科幻小說(shuō)里。今天，這個(gè)夢(mèng)想終于要實(shí)現(xiàn)了。
　　普渡大學(xué)物理學(xué)教授諾爾蒂與他的同事，畢生致力于研制用光替代電子進(jìn)行計(jì)算的計(jì)算機(jī)。這種光計(jì)算機(jī)將利用光的強(qiáng)大的并行性，以光速進(jìn)行運(yùn)算。它將重新界定智能的含義，并產(chǎn)生以光運(yùn)算為基礎(chǔ)的新型智能。這種技術(shù)正在誕生。
　　如果有朝一日，機(jī)器變成了智能生物，它們將把語(yǔ)言專門知識(shí)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理與工程學(xué)結(jié)合在一起。它們的智力，將遠(yuǎn)非今日人類能及。而它們將以無(wú)以倫比的智慧，為人類服務(wù)。
　　《光速思考》堪稱光計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)，是有關(guān)人工智能的前所未有的故事，也是我們生活的世界因它而發(fā)生革命性變化的故事。它正在從人類尖端技術(shù)的角度，揭示人類生活與智能的未來(lái)。

作者簡(jiǎn)介

戴維·D·諾爾蒂，加州大學(xué)伯克利分校博士，普渡大學(xué)物理學(xué)教授，光學(xué)材料與裝置物理學(xué)主要研究者，若干項(xiàng)適應(yīng)性全息膠片的美國(guó)專利持有人。因在半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)全息術(shù)方面的開創(chuàng)性工作，他被推選為美國(guó)光學(xué)會(huì)會(huì)員，并獲得美國(guó)科學(xué)基金會(huì)頒發(fā)的青年科學(xué)家總統(tǒng)獎(jiǎng)。

書籍目錄

序言第一章 玻璃珠游戲   視覺(jué)知識(shí)   玻璃珠游戲   人類的瓶頸   超越人類中心論   光的構(gòu)成第二章 三代光機(jī)   范例   激光：神奇之樂(lè)   量子世界   愛(ài)因斯坦論光   激光是如何工作的   光學(xué)革命   纖維光學(xué)   第一代：光電子學(xué)   第二代：全光機(jī)   第三代：量子光機(jī)第三章 視覺(jué)智能的結(jié)構(gòu)   神經(jīng)元   易改變的網(wǎng)絡(luò)   深思   符號(hào)學(xué)：符號(hào)生活指南第四章 視覺(jué)機(jī)制   從視網(wǎng)膜到大腦   達(dá)·芬奇煮的眼睛   造成失真的眼睛   感受的量子起源   眼的流動(dòng)介質(zhì)   圖像的分解第五章 看見的速度   人類視覺(jué)感知的速度   信息的度量   信息論   大圖畫   心理物理學(xué)   緊張的眼睛   視覺(jué)信息率   純視覺(jué)語(yǔ)言   回到瓶頸之上第六章 以光速進(jìn)行通信第七章 第二代全光機(jī)第八章 會(huì)說(shuō)話的圖像第九章 耦合時(shí)代第十章 不可計(jì)算的用量子來(lái)計(jì)算后記 光流中的玻璃珠游戲附錄1 計(jì)量單位表附錄2 術(shù)語(yǔ)

章節(jié)摘錄

書摘    人類的瓶頸    衡量任何技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，是它能在多大程度上改善我們的生活。這個(gè)命題可作為技術(shù)的人道主義原則。改善生活的方法之一是把人的工作分給替代者去做。詹姆斯·貝利(James Bailey)在他的《反思》(AfterTAought)一書中敘述了人的工作被替代的過(guò)程。第一步，我們把肌肉的工作給了牲畜，用馬運(yùn)輸用牛拉車。替代的工作還需人照看——1個(gè)人只能趕若干匹馬。第二步，我們把肌肉工作分給動(dòng)力引擎與機(jī)車，這步激發(fā)了工業(yè)革命，替代的工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)了人的能力，社會(huì)也發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化。第三步，我們把大腦的工作賦予計(jì)算器和計(jì)算機(jī)。其中變化最大的是計(jì)算速度而不是計(jì)算方法。第四步就要開始了，也就是在我們能把需用意識(shí)的工作成功地賦予智能機(jī)器那一天。這些智能機(jī)器的思維方式將是一場(chǎng)革命，其意義決不限于速度的增長(zhǎng)，其中有些智能機(jī)器是視覺(jué)的。    早期人工成像系統(tǒng)的目標(biāo)，是搜索并找出一幅圖畫的特征，比如照片的直邊，或檢出人群中一個(gè)特定的人物對(duì)象——在卡通畫冊(cè)中找出藏在雜亂無(wú)章的畫面中的人物。執(zhí)行圖像識(shí)別任務(wù)的機(jī)器，把人的視覺(jué)感受機(jī)制作為視覺(jué)識(shí)別工作模型，刻意模仿。在觀察這些機(jī)器怎樣運(yùn)行時(shí)，我們可能設(shè)想或預(yù)見，在哪些方面機(jī)器可能有機(jī)會(huì)超過(guò)人的能力。    視覺(jué)交往中，我們致命的弱點(diǎn)，是閱讀時(shí)理解的速度限制。圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使我們讀圖的速度可與計(jì)算機(jī)硬盤的數(shù)據(jù)傳輸速度媲美。但是為什么我們?yōu)^一頁(yè)書比一臺(tái)掃描器掃描一頁(yè)要慢得多呢?比如你看一頁(yè)書要用兩分鐘，激光掃描只需數(shù)秒，一臺(tái)數(shù)碼照相機(jī)可在幾毫秒中拍下這頁(yè)書。    我們的局限是進(jìn)化的結(jié)果。人腦與口頭交際一道進(jìn)化。盡管與耳聽相比，眼處理信息的速度極高，但是人卻沒(méi)有與聲帶對(duì)應(yīng)的專用生物光學(xué)器官。我們無(wú)法充分利用眼的數(shù)據(jù)處理的效能，把視覺(jué)信息傳遞給他人。誠(chéng)然，符號(hào)語(yǔ)是一種以視覺(jué)方式傳輸語(yǔ)言的辦法，它本是一種高效、高表達(dá)力的通信方式，具有口語(yǔ)所不具備的、受人歡迎的特點(diǎn)。但是過(guò)去10年中，一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)是，符號(hào)語(yǔ)言的傳遞速度，即使在最熟練的高手之間，也仍停留在與說(shuō)話速率相近的水平上。    問(wèn)題出在理解的瓶頸上。視覺(jué)語(yǔ)言，例如閱讀，以純粹的視覺(jué)形式開始，記號(hào)與符號(hào)都以平行的電刺激傳輸?shù)揭曈X(jué)皮層。一旦到達(dá)皮層，神經(jīng)脈沖連接到大腦的語(yǔ)言認(rèn)知中心——在這里的工作方式以串行為主，一次只處理一個(gè)詞(或句子片斷)。閱讀理解中不存在看圖時(shí)一目了然的視覺(jué)信息并行處理方式。視覺(jué)語(yǔ)言(書寫、數(shù)學(xué)記號(hào)、五線譜、手語(yǔ)、旗語(yǔ)等)在人腦中總是要求串行處理的。這種情況要改變了。     超越人類中心論    人的局限不必也是機(jī)器的局限。沒(méi)有理由說(shuō)我們處理語(yǔ)言的特殊方式是惟一可能的方式。我們可以自由地去嘗試新辦法，發(fā)現(xiàn)不同于自然界已有的連接神經(jīng)元與神經(jīng)節(jié)的新途徑、新結(jié)構(gòu)。借助目前現(xiàn)有的技術(shù)，我們有機(jī)會(huì)探索并檢驗(yàn)有關(guān)智能如何運(yùn)作的其他假說(shuō)。一個(gè)系統(tǒng)如何“思維”反映了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，就是說(shuō)結(jié)構(gòu)不同，思維方式也不同。與其總是使計(jì)算機(jī)模仿我們的思維，還不如為它尋找全新的思維方式。    智能模型建造已走過(guò)了把大腦的任務(wù)托付給機(jī)器的階段。這個(gè)階段是從使用機(jī)械計(jì)算器開始的。17世紀(jì)法國(guó)數(shù)學(xué)家帕斯卡(Blaise Pascal，1623-1662)和萊布尼茨首先使用計(jì)算器。在19世紀(jì)，還有英國(guó)數(shù)學(xué)家、發(fā)明家巴貝奇(Charles Babbage，1792—1871)也用過(guò)它。此階段延續(xù)到20世紀(jì)中葉，電子計(jì)算器開始使剛，其速度和精度都有了巨大提高。時(shí)至今日，我們先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仍然毫無(wú)智能可言。其推理能力遠(yuǎn)在人腦之下。當(dāng)前演示的人工智能大多是靠現(xiàn)代計(jì)算機(jī)極高的，并且日益提高的運(yùn)算速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算機(jī)的高速處理能力彌補(bǔ)了其洞察力的不足。且依靠的是笨法子。    所以說(shuō)，此階段并非像某些人想像的那樣是一種革命。機(jī)器明顯地加快了數(shù)學(xué)計(jì)算，但計(jì)算本身與我們手算并無(wú)二致。解題速度已為人工所望塵莫及，但算法結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變。只有替代大腦的工作演進(jìn)到使用適應(yīng)性算法和遺傳算法，能根據(jù)輸入的改變調(diào)整算法結(jié)構(gòu)，不用人的干預(yù)，且能超過(guò)人的設(shè)計(jì)，真正的革命才算開始起步。這類算法有潛力演化成根本不與人腦的任何部分功能雷同的智能系統(tǒng)，可能演化得超出人的理解范圍。    激光是如何工作的    愛(ài)因斯坦不等他1905年論文被證實(shí)，就繼續(xù)推進(jìn)他的光量子理論。這方面他最重要的論文發(fā)表于1917年，僅在他發(fā)表引力理論文章的后一年。如果說(shuō)他的光量子論斷是試探性的，那么，這篇新論文就是最終性的。直到今天，它仍不失為物理學(xué)中的一篇經(jīng)典文獻(xiàn)，同時(shí)給激光奠定了基礎(chǔ)。這里他描述了原子如何吸收光和發(fā)出光。量子力學(xué)在此過(guò)程中以若干方式發(fā)揮了威力。    因?yàn)殡娮訉儆诹孔恿Ｗ?，它們?cè)谖镔|(zhì)里的能量，僅限在若干分離的數(shù)值上。這些分離的能取決于電子的波動(dòng)性，并被稱為“能態(tài)”或“能級(jí)”。當(dāng)電子從較高能級(jí)躍遷到較低能級(jí)時(shí)，它產(chǎn)生一個(gè)光量子，即光子。這個(gè)光子所具有的能量，恰等于電子躍遷前后所處能級(jí)的能量差。在激光中所有原子都是一樣的，所有電子都具有相同的能態(tài)。所以任一電子從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)時(shí)，發(fā)射的光子具有完全相同的能量。因此該物質(zhì)產(chǎn)生的光子有一樣的能量，故有相同的波長(zhǎng)。    具有相同波長(zhǎng)的大量光子賦予激光非常“純凈”的顏色，但僅此還不足以使光具有相干性。還要求另一個(gè)量子過(guò)程：即一個(gè)光子在物質(zhì)中誕生時(shí)，它路過(guò)別的激發(fā)態(tài)電子并從其中激出另一個(gè)光子。這第二個(gè)光子與第一個(gè)光子具有完全同“相位”的特點(diǎn)。所謂同相位是指兩個(gè)光子的波峰、波谷的排列分別對(duì)齊。所以它們發(fā)生增強(qiáng)干涉。這樣得到的兩個(gè)光子是相干的，并具有完全相等的能量。愛(ài)因斯坦在1917的論文中提出的受激輻射，顯然是從一個(gè)光子得到兩個(gè)光子的手段。但在收集原子群體以便放大光的路上，還是障礙重重。這與熱平衡態(tài)下，原子中電子所處的能級(jí)有關(guān)。    熱平衡是物理系統(tǒng)的一種狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間不受干擾時(shí)，它就會(huì)達(dá)到此狀態(tài)。你放一杯溫水到冰箱里，需要若干時(shí)間水溫才能接近冰箱內(nèi)部的溫度。水一旦達(dá)到此溫度，我們說(shuō)它達(dá)到了熱平衡。處于熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，在某種意義上是很“煩人”的。它的性質(zhì)穩(wěn)定，宏觀上什么都不改變。不過(guò)微觀上，系統(tǒng)的分子是你擠我闖以驚人的速度不停地運(yùn)動(dòng)著。舉例說(shuō)，你周圍的空氣分子此刻正以平均每小時(shí)1000英里的速度撞擊著你的身體。要不是空氣分子質(zhì)量極小，這種撞擊就過(guò)分劇烈。其實(shí)對(duì)你肌膚的連續(xù)不停的轟擊，只不過(guò)是空氣壓力而已。    即使在比室溫高得多的溫度下，熱平衡態(tài)中，空氣大多數(shù)分子，盡管微觀上運(yùn)動(dòng)劇烈，實(shí)際上都處在低能態(tài)，即基態(tài)。只有一小部分氣體原子處在激發(fā)態(tài)。所以即使一個(gè)光子能從一個(gè)原子激發(fā)出另一個(gè)光子，這兩個(gè)光子最終還是被別的、處于基態(tài)的大量原子所吸收。熱平衡下，吸收過(guò)程壓倒激發(fā)過(guò)程，光的放大不可能發(fā)生。從這個(gè)基本事實(shí)看來(lái)，光放大器幾乎是不能實(shí)現(xiàn)的。    1951年前后，有幾位科學(xué)家，幾乎同時(shí)而又獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)了20世紀(jì)最偉大的科學(xué)突破之一。他們是哥倫比亞大學(xué)的湯斯(Charles H．Townes，1915—)，馬里蘭大學(xué)的韋伯(Joseph Weber，1919—2000)和莫斯科列別捷夫研究所的普羅克霍夫(M．Prokhorov，1916-)和巴索夫(NikolaiG．Basov，1922-)。他們使用新設(shè)備與巧妙的技術(shù)制備了部分原子的集合，其中處于激發(fā)狀態(tài)的電子遠(yuǎn)多于處于基態(tài)的電子。這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。然后一個(gè)光子就可激發(fā)出第二個(gè)光子，它們?cè)偌ぐl(fā)出兩個(gè)光子，共計(jì)有了同性質(zhì)的四個(gè)光子，以此類推。很明顯，此過(guò)程把一個(gè)光子變成了等能量同相位的大量光子。    查爾斯，湯斯及其研究組在1953年首次成功地制成了基于氨分子的相干光子源。它起初不能放大可見光，只能放大波長(zhǎng)約3厘米的微波光子。它被稱為“受激輻射的微波放大”，縮寫成MASER(脈塞)。雖然這個(gè)發(fā)明是個(gè)重要的突破，但它所用的裝置十分昂貴，且不易操縱。所以它并未使技術(shù)有大的進(jìn)步。有人甚至送給它一個(gè)綽號(hào)叫“麻煩”，全稱是“獲取昂貴研究費(fèi)用的手段”。不過(guò)，脈塞還是開辟了被稱為量子電子學(xué)的新研究領(lǐng)域，這個(gè)領(lǐng)域直接起源于1917年愛(ài)因斯坦的論文。更為重要的是，脈塞的開發(fā)與存在成了可見光放大器的出發(fā)點(diǎn)。    信息數(shù)量化的關(guān)鍵是要辨認(rèn)：在有意義的信息交換中并非全部可能的信息都以相等的可能性出現(xiàn)。這個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)帶來(lái)了新東西。為說(shuō)明此觀點(diǎn)，只需考慮一個(gè)不含信息的數(shù)據(jù)串。譬如添一個(gè)數(shù)碼使下數(shù)串完整起來(lái)：                                1001001001-    幾乎可以肯定，這是個(gè)以100為循環(huán)節(jié)的循環(huán)數(shù)。最后一位幾乎肯定是0。所以雖然我們給它增加一個(gè)比特，但并未增加信息。    如果增加的比特不改變我們的預(yù)期，那個(gè)比特就沒(méi)有告訴我們?nèi)魏涡聳|西。在信息的量化定義中，發(fā)生概率100％的東西不含任何信息。    ……

媒體關(guān)注與評(píng)論

序言光是最完美的信使。它比任何別的東西跑得都快。它沒(méi)有重量，產(chǎn)生光的費(fèi)用微乎其微。成千上萬(wàn)條不同顏色的光線能夠相互并行，相互穿行傳播，在數(shù)百萬(wàn)個(gè)地址間傳送數(shù)據(jù)和命令而不相互影響。這個(gè)能力我們稱之為光的空間相容性(光的并行性)，它表明光具有巨大的通信和計(jì)算能力。借助此特性，光子計(jì)算機(jī)同時(shí)執(zhí)行上百萬(wàn)個(gè)任務(wù)。    的確，視覺(jué)信息涌人我們的眼睛，以每秒10億比特以上的速率撞擊我們的視網(wǎng)膜。滿足渴求信息的眼睛的需求，是推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)所承載的視覺(jué)信息量以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的原動(dòng)力之一。人們對(duì)互聯(lián)網(wǎng)提供日益精細(xì)的視覺(jué)內(nèi)容的渴望，只有借助光在透明玻璃纖維中傳播所具有的空間相容性才能解決。    始于20世紀(jì)末的光學(xué)革命是由人眼發(fā)動(dòng)的，但它此旨的發(fā)展卻將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越簡(jiǎn)單地服務(wù)于人們感官的范圍。光的空間相容性是所有各類新型光學(xué)機(jī)器的基礎(chǔ)，這些光學(xué)機(jī)器的運(yùn)行越來(lái)越快，但還不能算是一場(chǎng)革命，這只是量的區(qū)別而非質(zhì)的飛躍。只有當(dāng)全光智能以光控制光的方式分布在整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，真正的革命才算到來(lái)。到那時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將有大量的多重內(nèi)部連接，足以與人腦的復(fù)雜性媲美。    本書是一次旅行。它始于最古老(也是最復(fù)雜)的光學(xué)機(jī)器——人眼，止于對(duì)新世紀(jì)后期將要研制出的量子光學(xué)計(jì)算機(jī)的探索。欲達(dá)此目的，需要經(jīng)歷3代光學(xué)機(jī)器的演化，這是我在第2章要介紹的。第一代是我們正用著的、支持光互聯(lián)網(wǎng)的光電計(jì)算機(jī)。第二代是全光計(jì)算機(jī)，其中用光控制光，把圖像作為信息單位。第三代即最后一代，是量子光學(xué)計(jì)算機(jī)。它將采用與經(jīng)典邏輯相左的量子效應(yīng)傳遞(甚至遠(yuǎn)距輸送)量子信息，一眨眼間它就能完成目前尚無(wú)法完成的計(jì)算工作。    這些光學(xué)機(jī)器(簡(jiǎn)稱光機(jī))外觀如何呢?它們是怎樣處理信息的，它們具有智能嗎?這就是我將在第3章探索視覺(jué)智能結(jié)構(gòu)時(shí)提出的一些問(wèn)題。    人眼和大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前我們知道的最精密的圖像處理機(jī)，它們是光學(xué)機(jī)器中人工網(wǎng)絡(luò)的出發(fā)點(diǎn)。在一個(gè)景物龐雜的場(chǎng)合感知事物在空間中的焦點(diǎn)對(duì)我們的眼和腦是輕而易舉的事，而對(duì)人工智能卻是最具挑戰(zhàn)性的難題。為什么這樣呢?我們的神經(jīng)元是如此的慢。我們的閱讀速度不及簡(jiǎn)單個(gè)人計(jì)算機(jī)處理速率的百萬(wàn)分之一。像人腦這樣慢的機(jī)器，性能怎會(huì)如此卓越呢?第4章到第5章探討的就是這些問(wèn)題。    這里提出了一個(gè)可望而不可及的問(wèn)題：假如光機(jī)能不受人類限制因素的阻礙，深人利用光的空間相容性資源，那將發(fā)生什么情況?這是對(duì)3代光機(jī)的挑戰(zhàn)。第6章描述支持互聯(lián)網(wǎng)上頻帶寬度爆炸的光電計(jì)算機(jī)。隨后轉(zhuǎn)到第7章描述的視覺(jué)智能，在那里以光的形式出現(xiàn)的信息控制著光，互聯(lián)網(wǎng)上的智能已分布到比人腦神經(jīng)元數(shù)量還要多的智能節(jié)點(diǎn)上了。它代表的是哪類智能呢?    充分發(fā)掘利用光的空間相容性要求圖像成為信息單位。如果比特這個(gè)簡(jiǎn)單的信息單位被整幅圖像所取代，那會(huì)怎樣呢?在這類機(jī)器中一幅圖像能告訴另一幅圖像去做什么。第8章就描述了以光學(xué)方法把信息存儲(chǔ)于晶體中并能形象思維的全息計(jì)算機(jī)。    在光的空間相容性的驅(qū)動(dòng)下，光學(xué)機(jī)器演化的頂峰是量子光學(xué)計(jì)算機(jī)。我們現(xiàn)有的全部經(jīng)驗(yàn)都不足以使我們應(yīng)付量子技術(shù)帶來(lái)的翻天覆地的變化。到量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)量子遠(yuǎn)距輸送，在量子互聯(lián)網(wǎng)上連成一片時(shí)，會(huì)發(fā)生什么情況呢?整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將變成一個(gè)宏觀量子波函數(shù)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)具有意識(shí)嗎?    這就是我們從人類文明初期發(fā)明的一種象形文字，即從最早的視覺(jué)語(yǔ)言起，到新世紀(jì)的全息量子計(jì)算機(jī)為止這一歷程中遇到的一些問(wèn)題。讓我們拭目以待吧。

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