化繁為簡達格物窮理、慎思明辨求經世濟民、鑑古通今窺科幻未來！ Think Physics Informationally, Information Physically, and the Growth of Technologies Exponentially
【臉書粉專收錄】2021 第三季
最終我避免了在四月初必須要搬家的麻煩，那就有空開始整理臉書的新聞與點評．我一直都認為長文是比語音和影片更加精練的形式（當然沒有到數學式的密度XD），所以整理散落貼文成為文章實屬必要．比較神奇的是這一季我完全沒有和加密貨幣相關的貼文LOL
此類型的紀錄除了按照時間順序、我還會將其分門別類成不同篇章方便讀者查找．內容會是複製貼上粉專文字，會加上回顧點評和展望（以不同的字體顯示方便大家閱讀），依照慣例歡迎大家分享、轉發、留言、拍手讚賞（甚至捐款）．
量子計算與物理
大家可能有印象，年初潘建偉在中科大的量子光學組成功做出76個光子的實驗登上Science (註1)，宣稱是繼Google 2019實驗後在第二個量子霸權，實驗名稱是Gaussian Bososn sampling． （有中國團隊拿GPU就破解Google 量子霸權宣稱我們說過跳過）．
先說點理論背景，這個實驗理論較好說明（相較於Google），我們需要想像成堆分光鏡一列列排好，所有光子從進入這個分光片陣列後會產生各式各樣的反射、透社、干涉現象，最後光子離開分光片陣列的統計特質會非常難用古典電腦來計算：因為原則上只要是玻色子都能拿來做這個實驗，所以此難題被稱為Boson Sampling（由Scott Aaronson提出）．這個計算的複雜程度比著名的Shor algorithm 低（從沒有一堆糾纏態可以看出來），不過仍舊超出古典計算的範疇，有個重要前提是用「單光子光源拿來做實驗」，那基本上難度是可以保證的．
實務上能有幾個單光子光源就已經是非常具有挑戰的實驗設置，所以就有人把上述的 Bososn sampling 變成可以用squeezed light 取代的Gaussian Bososn sampling，註1那篇Science 當然就是用後者來做實驗，結果看來Gaussian Bososn sampling 的複雜度並沒有前人想像的那麼複雜，立刻就出現理論挑戰者，俄國有團隊在六月發表預印本（註2），指出如果考慮實際實驗的squeezed light 精度，他們找到了辦法可以用筆電來模擬看「似不可模擬」的實驗光子分佈模式．
其實我寫了這些東西就只是想跟大家分享，量子資訊仍舊處於極為早期的階段，常常有可能稍微有個優勢宣稱出來，然後就激發資訊科學家或理論物理學家的改善現行算法，古典計算並不是已經被擠乾的橘子，NISQ 時代能做到的量子霸權/量子優勢來確定贏過「仍舊不斷進步的古典計算機領域」會比大家想像的還要困難很多．
很多時候量子計算是不是真有提速是非常幽微的議題，除了HHL 這種經典事件可以從明確從演算法比較複雜度外，在NISQ 時代要很期待的「量子最佳化」和「量子機器學習」都更像是邊做邊學邊嘗試，要說有嚴謹的提速更加困難，雖然不是不可能有奇效、但那更多是偶然而不是嚴謹的結果．
最近量子計算領域大頭John Preskill （其在2018年後定義NISQ，以一人之力影響整個領域研究方向）寫了篇「Quantum computing 40 years later」，從費曼開始撰寫整個量子計算的歷史發展，是篇沒有什麼數學難度、很流暢好讀的科普等級文章（主要是在談觀念和回顧，是有稍微提到量子傅立葉轉換QFT），推薦有興趣的朋友可以去閱讀來建立框架（見連結）．
不過我個人一直認為「量子計算有40年歷史」是非常晚近歷史發明宣傳，雖說費曼有過呼籲探討、量子通訊在1980年代有理論建構、且量子圖靈機和一些有趣的演算法都已經在1995年之前被提出，但是沒有Shor 的兩大貢獻，量子計算應該就一直只是小眾的玩具不會成為物理學的主流分之一．或許可以說量子計算25年（笑．Shor 不僅在1995年利用QFT建構出Shor演算法後、也很快提出最早的量子糾錯系統（Quantum Error Correction），可以說量子計算的兩大難題都在他手上解開，1)如果有完美的大規模量子電腦我們能解決什麼有趣偉大的問題？ 2)我們是否能從不完美的物理實驗建立起完美的大型量子電腦？
「天不生Shor，萬古如長夜」，在某個意義上，Shor 回答完上述兩個問題後，即使基礎物理學仍舊有許多和量子資訊和量子計算有關的有趣問題，量子計算的商用面向阻礙變成只剩下應用物理學和各種工程學的挑戰（可以說是讓政府發錢的主旋律研究方向）．
我現在還是會認為量子計算的歷史應該就是25年（從1995年起算），費曼這位大名鼎鼎的物理學家可以理解大家說故事都想要攀附，不過實際量子演算法還有量子糾錯才是定義這領域的核心（而不是演講說故事．不過費曼本人也說過「物理學的歷史」和「物理學家學到的歷史」是兩套東西，所以後人如此這樣發明他的量子計算先知地位也沒什麼好驚訝的．
這次我分享一個比較少人談的面向，在量子計算的理論挑戰中，人們或許比較常聽到演算法是指數加速(Shor)、多項式加速(Grover)的各種討論，不過其實這兩個演算法都有相當優良的性質：他們演算法所需的初始量子態（input quantum state）都很好處理，不會推類計算的效率．量子電腦從所有量子位元都為基態（白紙）開始，到開始跑各種演算法之前，必須先做好量子態製備(state preparation)．
這個步驟其實也可以把它當作一種量子邏輯閘，不過理論上一定能夠製備和能夠「有效率製備」是有巨大差異的．如果準備量子態的複雜度太高，那麼計算在快可能都沒有意義（木桶能裝多少水是由最短木板決定的）．即使QRAM（量子RAM）在理論上存在，不過這個遠比量子電腦本身更原始的領域，還要多久才會成熟實作就更是未定之天．快速有效率製備任意量子態絕對不是容易或顯然的挑戰．雖說這挑戰確實不會影響Shor and Grover，不過這兩個經典演算法10年內也都無法實用化，我個人估計量子模擬可能會需要各種神奇初始量子態，這種情況或許就不能用邏輯閘的方式建構（太慢），用adaibatic approach(絕熱過程) 或 量子機器學習的VQE 演化逼近可能比較有希望．
偉大的Shor 和 Grover 演算法能夠用簡單的初始態當作演算法起始狀態真的是非常不容易，在量子機器學習領域中複雜的初始量子態可以說都是被掃到地毯下面．不過即使大家心照不宣，投稿論文時還是會有心思非常細膩（或是故意要戳你）的reviewer提到量子態製備的問題，這種時候只能讓自己的禮貌程度與修辭學能力上升10倍，讓reviewer 開心論文才能有機會順利刊出．
他因為在量子場論中的電弱理論（也就是統一四大作用力的電磁作用力和若作用力）而聞名，量子場論之後追求美和對稱、和諧和統一可以都是說由此開始，雖然我們仍舊沒有看到大統一理論（統一電弱和強力）、超對稱（統一費米子和坡色子）、最終理論（如同弦論希望統一四大作用力加上超對稱），自然界也未必最終能由上述的夢想所描述，但是溫伯格的貢獻絕對是朗道分級中1級「亙古深邃的偉大」．
然後我認為溫伯格同樣值得思考的是其對於科學與價值的討論、還有其對宗教的看法，科學不僅是技術工作，因為即使科學不能肯定價值、故無法否定，也不代表科學家/科學文明不能有價值，在「科學迎戰文化敵手」一書中我覺得他立論深刻寫得相當好．而溫伯格對實際上發生的科學史和人們從教科書上學到科學史的差異也有深刻的考據，這部分可以看「大發現：一場以科學來型塑世界的旅程」，可以說是我過去幾年來看過最精彩和證據嚴密的科學史作品（絕不老掉牙）．最後就分享兩句溫伯格膾炙人口的名言，「無論宗教存不存在，這世上的善人一樣會行善，惡人一樣會行惡。但當好人做壞事的時候，那就得靠宗教了．」「科學即使不可能讓明智的人都不信宗教，但至少科學最偉大的成就之一是使人有可能不信宗教，我們絕不該從這項成就退縮」．
溫伯格在物理學內部有極為偉大的貢獻（電弱統一理論）、並且形塑了一整個世代/流派的論述（優雅的對稱），我其實後來更欣賞的是他對於科學史的考據還有對科學文明的看法．溫伯格身為無神論者沒有道金斯那樣有兇狠的攻擊性，其主張科學家和科學文明應該要處理價值問題的立場是冷靜而堅定，著實是位偉人．
PsiQauntum 這家量子計算硬體公司有兩個特別之處，首先是他計畫直接繞過整個NISQ(中型充滿噪音的爛爛量子電腦階段)，直接邁向可糾錯量子計算聖杯，預計是直接上百萬顆量子位元（目前離子阱和超導體巨頭都計畫在5年內做到1000顆量子位元），基本上是不可思議的宣言，然後除了餅畫得特別大之外，他們的硬體技術是光學、非常難有非線性交互作用的光子，雖然和Global Foundary 合作可以獲得半導體頂尖的製程技術，不過我不覺得這能夠彌補光學量子計算的缺點（希望他們能秀一手boson sampling 證明量子霸權也好）．不論如何，PsiQauntum 在D輪募資獲得了4.5億美元（最新投錢的單位包含M$和超級有錢的淡馬錫），2016年成立至今總募資金額超越6.6億美元，然後還真的沒有看到什麼黑科技問世．對於這樣的募資讓我覺得極為不詳，我老闆則感覺很像是網路科技泡沫的前半年，市場有一句老話量子產業恐怕也難倖免：「行情總在絕望中誕生，在半信半疑中成長， 在憧憬中成熟，在希望中毀滅。」我只能希望PsiQauntum真的有殺手級產品現身，否則這個泡沫週期他應該就是里程碑，不會有更大的投資案了（單一新創企業被注資、而非估值6億美元可不是開玩笑啊）．
PS：對比PsiQauntum放出來的資料，我認為Xanadu更有具體進展
我現在真心認為PsiQuantum 之後會跟「安隆詐騙」、「次貸危機」、「壞血」、「Nicola 氫氣卡車」一樣成為標誌性泡沫事件，目前量子計算產業的本輪週期已經度過「半信半疑」階段、開始或是已經進入「憧憬」階段，我誠心建議大家不要看到媒體宣傳就覺得這個產業即將成熟落地，量子計算要成熟落地得進入下一個循環（或是至少下一個十年）．
看完這篇新聞我想要強調學術界的小圈子和人際網路的重要性，Jose Ignacio Latorre 除了是阿布達比量子研究中心的首席科學家外，他也是我現在就讀的新加坡量子科技中心系主任，內文影片提到的巴賽隆納合作案也是和他有關系（Jose Ignacio在抵達新加坡前是西班牙巴賽隆納大學的教授、也有自己開新創公司），這樣遊走歐洲、中東和東南亞的能力也實在是超絕常人，大概只有美國、日本和中國切不進去而已LOL
話說Jose和前任的執行長Artur風格完全不同．Artur是非常chill 的英國教授，來新加坡就是度假衝浪放鬆之類的，沒什麼管事．Jose 則是對每個研究組的研究方向都有興趣知道進度、並且一天到晚在打電話給不同的政府部門、企業單位，參加各種會議活動等等，所以他能夠身兼兩個量子中心主任我認為是完全有可能做的實至名歸，更何況他西班牙那邊的新創雖然說是放手不過畢竟還是創辦人．
我月初看到NSA釋出了最新文件，就閱讀後來與大家分享一下這個世界點及情報機構是如何面對量子計算的最新進展．首先NSA 定義Cryptographically Relevant Quantum Computer，也就是在密碼學上有意義的量子電腦，因為小型實驗室的玩意沒有討論必要．其次是NSA 對於CRQC 多久後會存在甚是能否存在都不抱持立場，NSA 是因為國家安全系統必須保持數十年以上的機密、得要提前預備才會投入此議題（當然我估計他們就算把大型量子電腦蓋出來了也是這樣官腔官調LOL）
對於QKD（量子金鑰傳輸）：NSA 報告則認為這東西基本上完全沒用，或許有學術上的價值、但是對於國家安全系統的防護則是無法採用（即使理論上安全、實驗上一定有漏洞，同時還有完全不同的硬體基礎建設）．
對於現存密碼學：機密保存建議使用對稱加密的AES-256，非對稱加密如RSA /ECDSA 等演算法都不是量子安全．（也建議大家不要使用非常規的加密方法）．數位簽章方面則是可以繼續先使用SHA-384 這種hash base 的作法．
對於PQC（後量子密碼學）：NSA 正在等待NIST 公布最後的決選演算法，不過NSA 認為有極高概率會是使用晶格加密．（這點倒是不意外，看來PQC 就是晶格加密會成為大贏家了）
簡單來說，我也是屬於認為量子通訊（QKD）基本上屬於商業價值不高的子領域，如果沒有QKD 的話量子衛星或許還是還能做遙測之類的quantum sensing 應用，畫餅的大小就完全不同．至於量子電腦，我認為等到這波量子計算hype 過去（因為NISQ 不能做大型應用）以及PQC 成熟實裝後，整個量子電腦潮流或許得沉寂一段時間，然後下個十年才會王者歸來？（中間會有政府情報機構、大型科技公司和優質新創度過寒冬，但是不可能一步登天）
因為backreaction 寫了一篇文章談第二次量子革命，我也就來分享一下我對這個論述的看法．首先我得要說這個論述非常成功而且重要，科學或許可以客觀的依賴數學和實驗創造架構，但是科學家是人、需要故事來理解．
可以說在1990年代之前，量子物理的衣缽繼承人就是量子場論與粒子物理學，標準模型、對稱與美的道統似乎無需質疑．可以說量子物理已經被視為穩固而無趣的基石，當初的爭議都已經成為上古往事煙消雲散．如果不是因為John Bell 力挽狂瀾，我覺得量子計算應該要到21世紀才會降世（我最欽佩的物理學家就是Bell）．在有效讓大家把注意力放到entanglement 後，加上實驗技術的演進（A Aspect 應該要一個諾貝爾獎），量子資訊才在1980萌芽（量子圖靈機、QKD BB84）、1990突破（Shor/Grover/量子糾錯碼）．當整個社群開始關注物理思維和資訊科學思維的交錯整合後，新的典範才終於誕生，最抽象的說位元是比原子、甚至是時空更加純粹和基礎的存在．當然具體的說，量子測量、量子通訊技術已經成熟（有沒有用再説），量子模擬、量子計算餅很大，可以暫時從政府和企業獲得資源挹注，量子演算法和複雜度理論感覺也是可以讓資訊科學理論玩上幾個世代．可以說在方方面面配合下量子計算終於有機會宣稱自己是量子物理黃金時代的真正繼承人，1920是第一波革命、現在是第二波革命（粒子物理的圖像就不在這段歷史敘事中了顆顆）．
我後來認識到「物理學實際上如何發生的歷史」和「物理學家學到的歷史」很可能是非常不同的東西，即使客觀知識的進展讓眾人都忘記了歪路和彎路，歷史從來就不是直線順遂．過去半個多世紀，可以說就是從溫伯格開始的粒子物理學世代大放異彩，場的統一與對稱就變成是整個物理思想史的基調，彷彿是種歷史的終結（我第一次看「優雅的宇宙」等書時真的是如此認為，可以說是備受影響）．不過大學階段開始研究量子物理/量子計算後，心中的物理史框架就發生了典範轉移．我後來就認為21世紀最重要的物理領域和資訊領域的整合，不再吃四大作用力統合的框架了XD
新加坡生活與其它
新加坡今天日國慶日，星國也即將從明天開始進入逐步解封階段，將會允許餐廳內用．同時解封的聚餐與活動規模將會依照參與者是否有完全接種兩劑疫苗來區分（都有接種疫苗的話可以較多人聚餐）．同時為了避免疫情可能群聚爆發，NUS 將會要求已經接種疫苗的學生每個月自行快篩（還沒接種疫苗的要每週快篩），拍照上傳紀錄等．總而言之，這是非常多具有個人健康資料散落在不同地方，到底要怎麼處理和出示驗證這一堆隱私敏感資訊就很有挑戰了（餐廳是要如何驗證這桌客人都有打完兩劑疫苗呢？）．
新加坡有Singpass 這個一站式個人數位資訊站，綁定登入後可以看到個人的身分證/簽證、醫療紀錄（疫苗施打、診所預約）、教育紀錄、退休金紀錄（CPF）、出入境管理資料（ICA）、房屋紀錄（HDB組屋）、稅務紀錄（繳稅不辦Singpass 聽說超級不方便），對於本國人還有找工作的佈告欄（新加坡有規定很多工作要先開放給本國人30天才可以雇用外國人）．這樣的APP確實是非常方便，不過我因為懶惰和避免單點故障就隱私爆炸的理由過去三年半都沒有申請（總是有一些選擇可以繞過Singpass），直到最近疫苗資料串接看來非得透過Singpass，窩就沒辦法只好上班日花半天時間去臨櫃申辦開通帳號了．看在新加坡博士生涯完成70%之後才解鎖一個新手挑戰也是很有趣．
新加坡的邊境管制措施終於在上文撰寫的八個月後再進度大幅鬆綁，除了餐廳內用上升到10人、戶外口罩配戴改成鼓勵制度之外，最主要的就是邊境管制措施基本上完全解除，所有長期居民和短期遊客都不會再受到煩人的旅行限制干擾了（當然還是要看所有相關國家的管制規定）．至於Singpass 我還真沒有用到，就是個申辦後再也沒用到的App
原文連結凝視奇點的物理學徒
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