人工智能的圖靈計算應(yīng)用在了哪些領(lǐng)域

圖靈計算機(jī)是基于液冷GPU服務(wù)器、大數(shù)據(jù)一體機(jī)等技術(shù)，應(yīng)用于大數(shù)據(jù)、人工智能、元宇宙等領(lǐng)域。

在哥德爾研究成果的影響下，二十世紀(jì)三十年代后期圖靈從計算一個數(shù)的一般過程入手對計算的本質(zhì)進(jìn)行研究，從而實現(xiàn)對計算本質(zhì)的真正認(rèn)識。該成果不僅再次表明某些數(shù)學(xué)問題是不能用任何機(jī)械過程來解決的思想而且還深刻揭示計算所具有的能行過程的本質(zhì)特征。描述的是關(guān)于數(shù)值計算知道英文字母表的字母以及漢字均可以用數(shù)來表示，計算的每一過程都可以用字符串的形式進(jìn)行編碼，并存放在存儲器中，以后使用時譯碼并由處理器執(zhí)行。

圖靈可計算理論和人工智能現(xiàn)狀

可計算理論起源于1930，貢獻(xiàn)者包含圖靈、邱奇、哥德爾等。其中哥德爾的理論被稱為哥德爾不完備定理，邱奇和圖靈的理論合稱邱奇-圖靈論題。這些成果形成現(xiàn)代的圖靈可計算概念。

圖靈機(jī)是一種標(biāo)準(zhǔn)的計算模型。任何可計算問題，都可以通過圖靈機(jī)來進(jìn)行計算。不可計算數(shù)，或者叫做超越數(shù)，就是圖靈機(jī)無法計算的數(shù)。

現(xiàn)代計算機(jī)的計算模型其實就是一種通用圖靈機(jī)，Stephen Wolfram的110號元胞自動機(jī)，也等價于通用圖靈機(jī)。

計算

越接近現(xiàn)代，計算就顯得越重要。

算力不只是可以挖點比特幣，也不是游戲或者英雄電影。

新的科技發(fā)展是充分模型的能力和計算的優(yōu)勢。模擬可以類比為科學(xué)，而擬真可以類比為技術(shù)。科學(xué)應(yīng)用于技術(shù)，可以類比于使用計算模擬以了解其工作原理，然后擬真到真實世界，以替代現(xiàn)有的其他功能。

如果有人告訴你，計算機(jī)無論多快，部署的計算無論有多多，其實它的計算是有極限的呢？

這其實就是人工智能的奠基者，圖靈的工作。

人工智能越是發(fā)展，越需要回歸圖靈。

不可判定、不完備不可計算及其比較分析

不可判定

一個圖靈機(jī)輸入一個字符串之后，可能進(jìn)入3種狀態(tài)：接受、拒絕、循環(huán)（即不停機(jī)）。對于一種語言A，其中任意字符串ω，總能設(shè)計一個圖靈機(jī)M，將ω輸入M后，M進(jìn)入接受狀態(tài)，并停機(jī)。圖靈機(jī)由有限的字符編碼而成，任何一臺圖靈機(jī)均可表述為一個字符串。比如圖靈機(jī)M，其字符串為，它描寫一個圖靈機(jī)?？梢钥醋鞒绦?，ω就是輸入。有通用圖靈機(jī)U，可以模擬圖靈機(jī)M，從中解析出M的行為，并模擬出輸入ω的動作，產(chǎn)生一樣的結(jié)果：接受、拒絕、循環(huán)。我們稱U接受。

不完備

與圖靈機(jī)一樣，哥德爾將形式邏輯也符號化，一個命題可以寫成一個形式化語言符號的形式，就是公式組成的字符串序列。并給每一個符號指定一個數(shù)字，把它作為質(zhì)數(shù)的指數(shù)，將每一個字符串轉(zhuǎn)換為一個自然數(shù)，即哥德爾數(shù)。這樣，就將可證轉(zhuǎn)換為算術(shù)問題。

不可計算

邱奇、圖靈和哥德爾等的理論引入之后，我們漸漸開始將實數(shù)和不可計算聯(lián)系起來。哥德爾不完備定理可以表示為，存在一些實數(shù)，是不可計算的?？捎嬎銛?shù)被定義為，一個實數(shù)可以通過圖靈機(jī)通過有限的算法得到。比如e、π、方根。原則上，可以表示為連分?jǐn)?shù)的數(shù)，都可以由圖靈機(jī)進(jìn)行計算。在可計算數(shù)之外，仍然存在一些不可計算的函數(shù)?；蛘哒f，存在一些實數(shù)，不能通過圖靈機(jī)有限的算法得到。

元胞自動機(jī)

元胞自動機(jī)CA是一種多維格點，常用的是二維格點由顏色確定，黑或者白，代表0或者1。每個格點由臨近的格點位置狀態(tài)決定，即局域規(guī)則。通過計算步驟（即離散時間）的更新格點狀態(tài)。參考Conway的人生游戲。如果研究CA與其他系統(tǒng)的類比特性，可以約定一種停機(jī)條件，即達(dá)到某種吸引子為接受，達(dá)到某種吸引子的補(bǔ)集為拒絕，否則為循環(huán)運(yùn)行，精確定義參考Sutner。通用元胞自動機(jī)，比如110號，參考Cook。這樣，一個元胞自動機(jī)，可以由四種設(shè)置組成，值域A、維數(shù)d、局域規(guī)則φ，停機(jī)條件π。通用元胞自動機(jī)U是能模擬其他元胞自動機(jī)的行為。

比較分析

對形式系統(tǒng)、圖靈機(jī)、可計算、元胞自動機(jī)等進(jìn)行比較分析。

可以得出，不確定性的來源包含三個基本因素

一、程序數(shù)據(jù)的二元性；

二、必須有一個可數(shù)無窮；

三、是否運(yùn)算。

S. M. Markose也曾總結(jié)出三原則

一、代理可以對編碼信息、儲存的編碼代碼進(jìn)行操作；

二、代理可以進(jìn)行自指的離線模擬；

三、代理可以記錄否定，可自行參考。

但這里涉及的自指和無窮的問題還需要仔細(xì)進(jìn)行澄清。

拓?fù)淇捎嬎?/p>

可計算數(shù)只是簡單的把數(shù)分為了可計算數(shù)和不可計算數(shù)，但不可計算數(shù)實際上還可以深入考察。將圖靈可計算概念做一個簡單的擴(kuò)展，稱為拓?fù)淇捎嬎恪?/p>

π是一個可計算數(shù)，雖然它是無窮的，它的勢為?0，即可數(shù)無窮，等勢于自然數(shù)，我們稱它拓?fù)淇捎嬎阒禐?（類比于球面）。實數(shù)中無理數(shù)之上的不可計算數(shù)，它的勢為?1，我們稱它拓?fù)淇捎嬎阒禐?（類比于環(huán)面的洞）。依次類推，?n的拓?fù)淇捎嬎阒禐閚。

為什么所有整數(shù)、有理數(shù)都是可計算的？為什么π是可計算的？因為π可以表示為連分?jǐn)?shù)的形式，即自然數(shù)的無窮次計算?？赡苁且驗橹挥幸粋€可數(shù)無窮。所以，在圖靈機(jī)中就是可計算的。如果在圖靈機(jī)中再引入一個無窮，比如可數(shù)無窮狀態(tài)的圖靈機(jī)，那么拓?fù)淇捎嬎阒禐?的實數(shù)可能也是可計算的。這樣，拓?fù)淇捎嬎阒禐閚的數(shù)，就可以用引入n個可數(shù)無窮的圖靈機(jī)來計算。

我們稱這種圖靈機(jī)為拓?fù)鋱D靈機(jī)。傳統(tǒng)的有限狀態(tài)圖靈機(jī)即0值拓?fù)鋱D靈機(jī)?？蓴?shù)無窮狀態(tài)圖靈機(jī)即1值拓?fù)鋱D靈機(jī)。

有意思的是，如果認(rèn)為自指與無窮等價（圖靈機(jī)中引入自指和引入可數(shù)無窮等價）。那么，在圖靈機(jī)中引入一個自指，相當(dāng)于引入一個無窮。自指有限狀態(tài)圖靈機(jī)相當(dāng)于1值拓?fù)鋱D靈機(jī)，1值圖靈機(jī)可以計算拓?fù)淇捎嬎阒禐?的實數(shù)。自指無限狀態(tài)圖靈機(jī)，就是2值拓?fù)鋱D靈機(jī)，可以計算實數(shù)函數(shù)、可數(shù)無窮維點集、不可導(dǎo)曲線集這些勢為?2的集合中的元素。

復(fù)雜計算

無窮∞，總是一個讓人難以割舍的概念。這里可以再做一個簡單的擴(kuò)展，試著將它從基本假設(shè)中排除掉。

考慮到圖靈可計算概念包含一個可數(shù)無窮，可以引入一個足夠大的數(shù)字n，將圖靈機(jī)的無窮限制在n之內(nèi)。但可以保留自然數(shù)集和實數(shù)集之間的關(guān)系，或者說?0、?1之間的關(guān)系，冪集關(guān)系。這樣，實數(shù)集對圖靈機(jī)不可計算。等價為?1的集合，對?0來說，不可計算。等價于，2^∞對于∞，不可計算。我們將∞換成n，即對于一個足夠大的數(shù)n，2^n對于n來說，不可計算。

這也重新定義一個“復(fù)雜”，即冪集2^n的系統(tǒng)，對于n的系統(tǒng)，是復(fù)雜的。而且，它就是不可計算，就是隨機(jī)。

注意到，自指產(chǎn)生一個復(fù)雜系統(tǒng)。

這樣，就對拓?fù)淇捎嬎愀拍钭鲆粋€簡單的擴(kuò)展，可以稱為拓?fù)鋸?fù)雜可計算，或者簡稱復(fù)雜計算。

不妨將這種“復(fù)雜”直接定義為無窮（系統(tǒng)中，引入自指就是引入無窮，它引入一個冪集，產(chǎn)生不可判定），之前所知的“無窮”“∞”概念，不過是對于復(fù)雜度高于我們的世界的直覺而已。

從圖靈計算到量子計算

圖靈機(jī)包含目前的計算機(jī)的三個基本單元：存儲器、讀寫單元、控制單元。存儲器用以存儲信息，讀寫單元用以在存儲器中讀取或者寫入信息，而控制單元根據(jù)讀寫單元提供的信息按照內(nèi)部邏輯更改或刪除原有的信息，以達(dá)到我們期望的計算結(jié)果。

例如，在圖靈機(jī)執(zhí)行運(yùn)算時按照以下步驟依次進(jìn)行：

一、讀寫首先從儲存器獲取存儲信息，并將此信息傳遞到控制單元。

二、控制單元按照既定算法更改自身的狀態(tài)以及輸出新的數(shù)值到讀寫單元中。

三、讀寫單元向儲存器的當(dāng)前位置寫入新的值。

四、控制單元按照算法決定移動方向，并進(jìn)行下一輪的讀寫。

下面我們嘗試使用一進(jìn)制加法說明這一工作過程。

在一進(jìn)制中，空=b，1=1，2=11，3=111。嘗試計算2+3的結(jié)果。控制器按照下面這個邏輯進(jìn)行操作：

此時我們使用讀取單元讀取儲存器中記錄的數(shù)據(jù)為：

按照以上的邏輯，當(dāng)控制單元獲取不同a值時，將會改變自身的狀態(tài)并執(zhí)行相應(yīng)操作。例如開始時，控制單元狀態(tài)為S1讀取了b，控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镾2，并輸出b，隨后向左移動一格，以此類推，不斷讀取并變換狀態(tài)完成整個加法運(yùn)算。

量子計算

自人類踏入到量子領(lǐng)域，找到一條使用粒子狀態(tài)作為計算的方法。一次量子計算由制備輸入態(tài)、對于初態(tài)執(zhí)行所期望的變換、測量輸出態(tài)這三個步驟組成。對應(yīng)于比特，我們在量子計算中稱這個記載信息的基本單位為量子比特。我們可以采用電子、核子、光子等等作為量子比特的載體。規(guī)定一對正交的量子態(tài)分別代表經(jīng)典比特的0與1，這對量子態(tài)構(gòu)成了量子計算的基矢。因此，相比于傳統(tǒng)計算機(jī)輸入僅可以是0或1的初值不同，量子力學(xué)的疊加原理允許量子計算輸入的初始態(tài)可以是疊加的。

量子比特所描繪的不再是單一的0或者1，而是一個以|0>與|1>為基失并由連續(xù)變量與描述的空間。由于信息載體的變化，發(fā)生的信息載體所承載的信息量由點向面變化。輸入的初始態(tài)就擁有著大量的信息。這樣的一個輸入態(tài)描繪了一部分態(tài)與一部分態(tài)的混合狀態(tài)，所以它既可以進(jìn)行態(tài)的相關(guān)運(yùn)算，也可以參與態(tài)的相關(guān)運(yùn)算。這種不同于傳統(tǒng)計算的模式，使得量子計算的過程是并行的（是尤為重要的），這就導(dǎo)致量子計算在一些特定問題上有著傳統(tǒng)計算模式（目前算法下）難以匹敵的計算能力。

這種并行計算所帶來的優(yōu)勢隨著量子比特的數(shù)目增多變得尤為明顯。假設(shè)我們都采用n個信息單位作為載體用以描述可能的狀態(tài)。對于經(jīng)典計算機(jī)而言，可以表示的狀態(tài)數(shù)目將會以模式增長。因此，兩者之間的差距在隨著n的增大而快速拉大。

走出實驗室，賦能特色產(chǎn)業(yè)

如今量子計算所處的發(fā)展階段，有點類似于2012年的人工智能產(chǎn)業(yè)。2019年，谷歌演示了量子霸權(quán)，即在理論上越過了傳統(tǒng)算力，而在實踐上，行業(yè)正處于產(chǎn)業(yè)化爆發(fā)的前夜。

實驗室里的理論再牛，也需要落地開花，而走出實驗室，這場比拼已經(jīng)開始。圖靈量子完成1億元天使輪融資，而在美國和加拿大，PsiQ和Xanadu同期拿到了量子計算領(lǐng)域最大的兩筆投資。業(yè)內(nèi)人士甚至認(rèn)為，2021年可稱為光量子計算元年，上述三家行業(yè)最頂尖的公司，將決定更為廣泛的應(yīng)用走向。

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《道德經(jīng)》有言：挫其銳，解其紛，和其光，同其塵。前沿科技特別是顛覆性技術(shù)，在發(fā)展道路上會遇到一些挫折和障礙，但既然選擇了這條道路，就要把阻力轉(zhuǎn)化為動力，一旦實現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新，回報必然是豐厚的。在上海創(chuàng)業(yè)的圖靈量子已定下最早應(yīng)用的方向——金融科技、生物醫(yī)藥、人工智能，這些是最需要算力算法支撐的行業(yè)，同時也最貼近上海的產(chǎn)業(yè)特色，可實現(xiàn)“上海賦能上?！钡寞B加效應(yīng)。

圖靈量子已與上海頂級三甲醫(yī)院、藥企巨頭、云計算服務(wù)商、金融機(jī)構(gòu)等戰(zhàn)略合作，通過量子計算來解決一類實用問題，真正賦能一個行業(yè)。在金賢敏看來，未來量子計算還可在智慧城市、大數(shù)據(jù)等需要復(fù)雜算法、算力的領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢。

《上海市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》提出，要形成“9+X”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系，“重點布局光子芯片與器件”就是X之一。

藍(lán)海大腦大數(shù)據(jù)一體機(jī)

超能運(yùn)算

支持主流?GPU 顯卡虛擬化，提高計算性能和圖像渲染能力

快速實現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，支持大規(guī)模并發(fā)運(yùn)行（百萬個理論節(jié)點）

高效運(yùn)維

一站式部署，開箱即用，助力企業(yè)快速實現(xiàn)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型

強(qiáng)大的數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、虛擬化及管理安全保障，提高系統(tǒng)可靠性和高可用性

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審核編輯：符乾江