量子计算机之父：他孤独地帮人类打开了平行宇宙

文摘 2024-12-17 23:37 菲律宾

不知道大家是否相信平行宇宙的存在？平行宇宙到底是咋回事？为什么说存在平行宇宙呢？

最近，随着谷歌量子芯片willow的发布，好像越多越多的人信服平行宇宙的存在了。当然，主要还是一些顶级的头脑。然后，也有更多的人注意到了一个人的存在，那就是量子计算机之父——大卫·多伊奇。

这两天，各大报刊都在回顾他们过去对大卫·多伊奇的报道。其中，纽约客在2011年发的一篇特写，《梦想机器》，是难得的上乘之作，非常漂亮。今天和大家分享一下。

在这篇文章里面，就谈到了量子计算机的算力来自平行宇宙的“外包”。

Dream Machine

By Rivka Galchen

在牛津郊区住着一位才华横溢、但瘦得令人担忧的物理学家大卫·多伊奇。他相信多重宇宙的存在，并且构想出了一种尚无法建造的计算机来验证这些宇宙的存在。他的著作标题充满了巨大的自信，比如《真实世界的脉络》（The Fabric of Reality）和《无穷的开始》（The Beginning of Infinity）。他很少离开家，许多亲密的同事多年未见过他，只有偶尔在通过 Skype 参加的会议上见过他。

多伊奇从未有过一份正式的工作，但他本质上是量子计算的奠基人。量子计算是一个建立在量子力学基础上的新兴计算领域，设计出与传统计算机截然不同的强大计算机。

使用普通笔记本电脑百万分之一的硬件，量子计算机就可以存储与宇宙中粒子数量一样多的信息。它可以破解以往“无法破解的”密码；它可以回答目前过于复杂，传统计算机无法处理的有关量子力学的问题。

但这并不意味着任何人都知道，量子计算机到底能“真正用于什么实际用途”。如果你去问一个物理学家，量子计算机在实际中“有什么用”，他可能会给你讲 19 世纪英国科学家迈克尔·法拉第的故事。

法拉第是电磁学领域的开创性人物。当有人问他电磁效应的实际用途时，法拉第回答说他不知道，但他确信总有一天女王会对它征税。

在牛津克拉伦登物理实验室的一处楼梯间里，挂着一张 1990 年代末的照片海报，以纪念牛津量子计算中心的成立。照片中是一群仪表堂堂的物理学家，大家聚集在草坪上合影。然而，在照片的一个远角，有一张大卫·多伊奇的脸被后期合成上去的，阴影的方向也不对，给人一种他像是“被传送过来”拍这张照片的感觉。

这不禁令人联想到多伊奇的信念：如果能够建造一台量子计算机，它几乎会成为“多世界诠释”（Many Worlds Interpretation）理论的不可辩驳的证据。

多世界诠释理论的核心思想和人们的想象几乎一致。除了多伊奇之外，还有一些受人尊敬的物理学家也支持这一理论，尽管他们是少数派，而且主要是在英国受教育的物理学家中。由于牛津在量子计算领域的浓厚兴趣，这种现象有时被戏称为“牛津流感”（Oxford flu）。

然而，多伊奇的这种“思维感染”已经发生了变异，并且传播到了全世界。
其他科学家虽然通常不关心“多世界诠释”作为一种宇宙解释的真实性，但现在也在努力建造这种“梦想中的量子计算机”。

来自新加坡、加拿大和纽黑文的研究人员正在与谷歌和 NASA 等机构的团队合作，可能很快就会建造出使当今计算机看起来像口袋计算器的机器。
但与这些研究人员的“多世界诠释”无关的冷漠态度形成对比的是，多伊奇自己对建造量子计算机的实际工程工作也表现出了“专业冷漠”。

物理学的进步依赖于接受看似荒谬的想法。其历史是一部“难以置信的想法被证明为真”的记录。

亚里士多德合情合理地认为，一个物体在运动时，如果不受外力作用，最终会静止；牛顿发现事实并非如此，由此推导出了我们现在称为“经典力学”的基础理论。

类似的，物理学曾让我们大为震惊的事实还有：地球围绕太阳运行，时间是弯曲的，而如果从宇宙的外部观察，宇宙的颜色是米黄色的。

诺贝尔奖得主、物理学家理查德·费曼曾指出：“我们的想象力被拉到了极限——不像小说那样去想象那些并不存在的事物，而是去理解那些确实存在的事物。”

物理学的确很奇怪，而那些一生致力于研究它的人比我们其他人更能适应这种“奇怪”。

但即使对物理学家来说，量子力学——量子计算的基础——也是一种几乎难以忍受的怪异理论。

量子力学描述了物质和能量在时空中的自然演化过程。

经典力学也描述了类似的过程，但在描述我们所见到的大多数物体（比如沙粒、棒球和行星）时，经典力学的表现非常准确。然而，在更小的尺度上，经典力学的描述则完全错误。
当分辨率足够高时，所有关于“斜面上的小球运动”等可靠的规则都开始失效。

量子力学指出，粒子可以同时处于两个位置，这一性质被称为“叠加态”。粒子之间还可以产生关系，称为“纠缠”，使它们无论在空间和时间上相隔多远，都可以瞬间协调它们的属性。
此外，量子力学认为，当我们观察粒子时，我们不可避免地会改变它们的状态。
另外，量子力学还表明，宇宙在最基本的层面上是随机的——这一观点往往令人不安。

如果你向一位物理学家坦白自己对量子力学感到困惑，物理学家会告诉你不必感到沮丧，因为即使是物理学家自己也觉得困惑。

如果说经典力学是“乔治·艾略特式的”，那么量子力学则更像“卡夫卡式的”。

如果量子力学仅仅描述的是一小部分的物质或能量的行为，那么这些怪异的现象或许还容易被接受。

但量子力学描述的是一切。

即便是能够轻松接受“时间旅行中的虫洞”这一概念的爱因斯坦，也对量子力学的整体理论感到困扰。

1935年，爱因斯坦与其他两名物理学家共同撰写了一篇题为《物理现实的量子力学描述能否被视为完整的？》的论文。

在这篇论文中，他指出了量子力学的一些奇怪的推论，并得出了一个结论——即量子力学的描述是不完整的。

爱因斯坦对量子纠缠现象尤其感到不安，并将其贬称为“幽灵般的超距作用”（spooky action at a distance）。这一用词明显在呼应 17 世纪对万有引力的轻蔑批评。

丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）则对爱因斯坦的观点提出了异议。

玻尔认为，在量子力学中，物理学已经达到了科学能够认知的极限。看似荒谬的事物确实是荒谬的，而我们需要认识到，虽然科学在预测个别实验的结果方面表现出色，但它无法告诉我们“现实本身”的样子，因为“现实”始终被一层“面纱”遮盖着。

玻尔的观点最终战胜了爱因斯坦的观点。

“当然，他们双方的观点都是错误的，”多伊奇评论道，“但玻尔是在试图掩盖真相，而爱因斯坦则是在试图解决这个问题。”

多伊奇在他的著作《真实世界的脉络》中指出：“将‘预测’视为科学理论的目的，这是在混淆手段和目的。这就像说宇宙飞船的目的是燃烧燃料一样。”

在玻尔之后，“闭嘴并计算”的哲学主导了物理学界数十年。

将量子力学的方程视作“现实故事”的探讨被认为是“无谓的”，就像那些寄信到贝克街 221B 号的信件，试图与虚构的福尔摩斯侦探取得联系一样。

我在一个冬季的星期四下午四点，拜访了大卫·多伊奇的家。

多伊奇在伦敦地区长大，本科就读于剑桥大学，随后在剑桥大学攻读数学硕士学位——他声称自己数学学得不好——然后到牛津大学攻读物理学博士学位。

虽然他与牛津大学有联系，但他并不是教职员工，从未教授过任何课程。

“我喜欢做演讲，”他告诉我，“但我不喜欢对那些不想听的人做演讲。把教育体系这样设计是错误的。不过，这并不是我不教书的原因。我不教书的原因更直接——我就是不喜欢它。如果我是生物学家，我会是个理论生物学家，因为我不喜欢解剖青蛙的想法。不是因为道德原因，而是因为那令人作呕。类似地，和一群不想在那里的人交谈也是令人作呕的。”

相比之下，多伊奇靠讲座、研究资助、奖金和他的书籍收入维持生计。

在冬日阳光的微光中，多伊奇的房子看上去有些破旧。

院子里长满了像是英国常春藤的植物，入口附近有一棵枯萎的或已死亡的灌木状植物。门上贴着一张手写的告示，上面写着“敲门要用力”。

多伊奇来开了门。“我现在非常忙，”他在我还没进屋之前就说道，“有太多事情要忙。”

他的瘦削身材让他的年龄看起来在 19 岁和 119 岁之间不断摇摆。（实际上他当时 57 岁。）厚重的眼镜背后，他的眼睛显得过大，像是一部可爱的动漫角色的眼睛。玄关里堆满了旧电话簿、纸板箱和一堆堆的文件。

“这并不是说我没有时间和你谈话，”他继续说道，“只是——这就是为什么家里这么乱，因为我实在是太忙了。”

不止一位多伊奇的同事提到过一件趣事：有一支日本的纪录片摄制组曾想在多伊奇的家中采访他。这支团队问他，能否稍微收拾一下屋子。

多伊奇不喜欢这个提议，于是摄制组承诺，拍摄结束后会将“杂乱”恢复原状。他们像犯罪现场的调查员一样，拍摄了大量的照片，记录物品的原始位置。拍摄完成后，摄制组小心翼翼地将之前的“混乱状态”恢复原样。

多伊奇说，他仍然能找到东西，而这正是他担心的重点。

多伊奇的客厅墙上贴着一张世界地图，一张元素周期表，一幅手绘的卡尔·波普尔的漫画，一张美国《独立宣言》签署场景的海报，一张动物分类图，一张《辛普森一家》角色的分类图，以及麦凯恩和奥巴马的彩色打印图片，图片上手写的标签标注为“这个”和“那个”。

还有两张彩色打印的照片，照片中的演员看起来有点像休·格兰特。另外，房间里还有旧的 VHS 磁带、一个未使用的壁炉、一辆静止的健身自行车，以及一台新款的大屏幕平板电视，房间里的其他陈设显得与它格格不入。

多伊奇给我提供了茶和饼干。
我问他关于那张“像休·格兰特的演员”照片的事情。
“显然，你不怎么看电视，”他回答道。

照片中的那个人是休·劳里（Hugh Laurie），一位因在美国医疗剧《豪斯医生》（House）中饰演主角而闻名的英国演员。

多伊奇向我解释说，《豪斯医生》是一部“关于认识论的伟大节目，除了基础物理学之外，这实际上是我最核心的兴趣点。这是一部关于知识如何增长或失败的各种方式的节目。”

多伊奇告诉我，豪斯医生的原型是夏洛克·福尔摩斯，而豪斯的朋友威尔逊的原型是华生。

“和福尔摩斯一样，豪斯是一位顶级的理性主义者。每件事都必须有理由，如果他不知道理由，那是因为他不知道，而不是因为没有理由。这种态度在基础科学中至关重要。”

想象一下，玻尔的幽灵可能会对此表示不同意。

大卫·多伊奇的一些早期量子计算研究论文曾被多家物理学期刊拒绝，理由是“过于哲学化”。

最终，当这些论文终于得以发表时，他说：“只有少数几个人明白了它的意义。”

其中之一是物理学家阿图尔·艾克特（Artur Ekert）。艾克特当时是牛津大学的一名研究生，他告诉我：“大卫确实是第一个正式提出量子计算机概念的人。”

这个领域的其他早期重要人物还包括隐居的物理学家斯蒂芬·J·韦斯纳（Stephen J. Wiesner）。在贝内特（Charles Bennett）的鼓励下，韦斯纳提出了诸如“量子货币”（不可伪造！）和“量子密码学”等想法。

还有物理哲学家大卫·阿尔伯特（David Albert），他提出了“自省量子自动机”（可以想象为处于心理分析中的机器人）的概念。多伊奇在 1985 年的论文中将这一概念描述为“真正的量子计算机”的示例。

艾克特形容这个领域的先驱们是“一群古怪的鸭子”。

虽然多伊奇并未正式担任艾克特的导师，但艾克特仍与他一起学习。“他算是收留了我，”艾克特回忆道，“后来，我也算是‘收留’了他。我们的辅导课通常从晚上 8 点左右开始，那时大卫才刚开始吃午餐。我们会一直谈话和研究，直到凌晨两三点。大卫喜欢和人讨论问题。我经常在凌晨 3 点或 4 点离开，然后大卫才会开始‘正式’工作。如果我们想出了一些新东西，我们会写成论文；但有时我们并不会写论文，如果后来有人也提出了相同的解决方案，我们会说，‘很好，这样我们就不必再写了。’”

当时，甚至在理论上也不清楚量子计算机在哪些方面比经典计算机更有优势。
因此，多伊奇和艾克特尝试为那些在经典计算机上难以解决的问题开发算法，他们希望这些问题在量子计算机上可能变得可解。

其中一个问题是质因数分解。

质因数分解是数学界几个世纪以来的“圣杯”，也是当前许多加密技术的基础。
将两个大质数相乘很容易，但如果给你一个由这两个质数相乘得到的大数，想要反推出这两个原始质因数是什么，则非常困难。

对于一个 200 位数的数字，使用经典计算机进行分解可能需要“多个生命周期的时间”。

质因数分解的一个典型特征是：一个方向的计算很容易（比如把鸡蛋打散），但反方向的计算却极为困难（将鸡蛋复原几乎不可能）。
在密码学中，两个大质数的乘积被用来创建安全密钥。要破解这个密钥，相当于“把鸡蛋复原”。

这种加密方法被称为RSA 加密，以其提出者（Rivest、Shamir 和 Adleman）命名。
这是目前保护互联网中大多数保密信息的主要方式，包括您的信用卡信息和美国国税局 (IRS) 的记录。

1992 年，麻省理工学院的数学家彼得·肖尔（Peter Shor）听了一场关于“理论量子计算”的演讲，这让他注意到了多伊奇和其他在这一仍然冷门领域中开创性思想家的研究成果。

肖尔私下开始研究质因数分解问题。
“我当时不确定会不会有成果，”肖尔解释道。

大约一年后，肖尔推出了一种算法，这种算法具有以下两个特点：
（a）只能在量子计算机上运行；
（b）可以快速找到一个大数的质因数——这正是那个“圣杯”！

借助肖尔的算法，原本需要“比宇宙的历史更长时间”才能完成的计算，在一台足够强大的量子计算机上可能只需一个下午。

物理学家大卫·迪文森佐（David DiVincenzo）被认为是量子计算历史领域中最有洞察力的人之一。

他表示：“肖尔的工作是该领域中最大的飞跃。这就是那个时刻，我们心想，‘哦，现在我们知道量子计算机究竟有什么用了。’”

如今，量子计算已引起实验物理学家的持续关注。它还获得了来自公共和私营部门的大量资金支持。风险投资公司已经开始投资于量子加密设备。全球各地的大学研究小组也组成了大型团队，他们的目标是构建量子计算机的硬件，并开发其应用，例如模拟蛋白质，或更好地理解超导体的性质。

阿图尔·艾克特（Artur Ekert）在将量子计算从纯理论研究转向实际机器制造的过程中，成为了一位关键人物。他不仅创立了牛津大学的量子计算中心，还在几年后在剑桥大学设立了一个类似的中心。如今，他在新加坡领导一个研究中心，那里政府已将量子计算的研究列为其首要目标之一。

物理学家大卫·迪文森佐（David DiVincenzo）评论道：“今天，研究领域的重点集中在实验室中的实际实现上，也就是说，如何以及使用哪些材料来实际构建一台量子计算机。”

“仅从人数统计来看，现在大多数从事该领域的研究人员，主要的目标就是努力建造某种硬件。这正是该领域成功的结果。”

2009年，谷歌宣布他们在过去三年中一直在研究量子计算算法，其目标是开发出一台可以从庞大的视频和图像库中快速识别特定事物或特定人物的计算机，比如从数百万张未标记的照片中识别出大卫·多伊奇。

19 世纪初，“计算机”一词是指任何从事计算的人，例如，负责为建造桥梁做数学计算的计算员。

大约在 1830 年，英国数学家兼发明家查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）提出了分析机的想法，这是一种能够消除“人类参与计算过程”并规避“人为错误”的机器。

当时，几乎没有人认为分析机会有多大用处，并且在巴贝奇的时代，类似的机器也从未被真正建造出来。

尽管巴贝奇容易出现严重的精神崩溃，他的思维方式也相当古怪，比如他曾写信给阿尔弗雷德·丁尼生（Alfred Lord Tennyson），纠正了对方的诗句“每分钟死去一个人 / 每分钟出生一个人”，他建议将其改为“每一刻死去一个人 / 每一刻出生 1 又 1/16 个人”，并补充道，虽然精确的数字是 1.167，但“当然需要考虑到诗的韵律法则的要求”。

尽管如此，我们现在可以说，巴贝奇的想法是具有远见的。

经典计算机——也就是我们今天所知的所有计算机——通过对“二进制比特”进行操作，将输入转化为输出。这些“比特”是信息的基本单位，可以是 0 或 1。

量子计算机在许多方面与经典计算机类似，但它使用的是量子比特（qubit）。

每个量子比特（发音为“Q-bit”）可以像比特一样表示 0 或 1，但更奇特的是，量子比特可以同时是 0 和 1——这就是量子力学的“叠加态”现象。

这与薛定谔的著名“猫实验”中“猫既是死的也是活的”的情景相同。

如果严格按照量子力学的方程来解读，叠加态是一种“本体论”状态，而不是“认识论”状态，也就是说，这并不是说我们“不知道”猫是死的还是活的，而是猫实际上在某种意义上既是死的也是活的。

弗洛伊德对“真正的矛盾心理（ambivalence）”的描述类似于这种状态，不是感到不确定，而是同时怀有截然相反的两种信念。

正如矛盾心理比单一的情绪包含更多的信息一样，量子比特也比普通的比特包含更多的信息。

量子力学中的纠缠现象也为量子比特的特殊能力做出了贡献。

纠缠的粒子拥有一种类似“超感官知觉（E.S.P.）”的能力：无论距离多远，它们都可以瞬间共享信息，而观察者甚至无法察觉到这些信息的存在。

因此，量子计算机的输入信息可以分散到多个纠缠的量子比特中，这也使得对这些信息的处理得以同时在多个比特中并行进行。
向一个粒子输入信息，所有与其纠缠的粒子都能立即接收到这条“消息”。

有些信息在纠缠的粒子之间流转，但对我们来说却是“不可见”的；这些信息是它们的“集体秘密”。

正如量子力学教导我们的那样，任何试图探测这些粒子状态的行为，都会不可避免地改变它们。

一旦被观测，量子比特将不再处于“纠缠”或“叠加”状态：
薛定谔的猫会“不可逆转地”做出决定——要么是死的，要么是活的，而这也破坏了量子计算机的独特计算能力。

量子计算机就像那个被“盯着的锅”，确实不会开。

查尔斯·贝内特（Charles Bennett）将量子信息比作“梦中的信息——我们无法向他人展示它，而当我们试图描述它时，我们的记忆也会因此而改变。”

但一旦纠缠粒子完成了对问题的计算，我们就可以去“观察”结果。

当我们向量子计算机请求“答案”时，这些信息，原本分布在多个粒子之间，以一种奇特的纠缠方式存在，最终需要在一个“普通的、非纠缠的”状态中呈现出来。

这种从“纠缠”到“非纠缠”的转变，有时被称为“坍缩”。一旦系统发生坍缩，它所包含的信息不再是“梦”或“秘密”，也不再是“又死又活的猫”，而是一个我们可以在屏幕上读取的普通答案。

量子比特不仅仅是理论概念。

早期的量子计算硬件试图通过用电脉冲操纵液体中原子磁性原子核的方式来构建量子比特。

后来，像牛津大学的研究团队，则开发了使用单个被捕获的离子来构建量子比特的方法，这种方法通过将带电的原子粒子限制在特定的空间内来实现。这些量子比特具有极高的精确性，但同时也非常脆弱，防止外部干扰变得极其困难。

另一种方法是使用超导材料来构建量子比特，这种材料的设计模仿了原子的结构，虽然操作更简单，但精度较低。

通常，制造量子比特的过程与制造常规芯片的过程类似。

在牛津大学，我看到了一台类似大型空气曲棍球桌的设备，桌面上布满了看起来像是“乐高积木”的各种特殊部件，还有一个看起来像“沙拉吧挡板”的透明保护罩悬在上方。

这一复杂的设备包括激光器、磁场发生器和光学腔，它们以恰到好处的角度布置，以操作和保护设备中心的八个微小的量子比特。这些量子比特被安置在钢制管道的中心，并受到多重保护以防止干扰。

牛津的八比特量子计算机的计算能力远不如一个算筹，但如果能达到 50 至 100 个量子比特的水平，它的计算能力将与笔记本电脑的计算能力相当。

英国布里斯托尔的一个团队开发了一台四比特量子计算机，它可以分解 15 这个数字的质因数。

加拿大的一家公司声称他们建造了一台可以解数独的量子计算机，但有人质疑这台设备的处理工作实际上是由常规的比特完成的，也就是说，这种“量子计算”实际上并没有使用叠加态或纠缠。

增加量子比特的数量，从而提高计算机的能力，远不只是简单的“叠加比特”那么容易。

耶鲁大学物理学教授罗伯特·舍尔科普夫（Robert Schoelkopf）解释说，“将量子计算机扩展的一个主要问题是量子比特的保真度（fidelity）。”

保真度指的是量子比特的“退相干”（decoherence）现象，这意味着量子比特的状态会很容易从“信息存储状态”中脱离出来。

“现在，量子比特的存储状态大约只能维持一微秒。我们的计算大约需要 100 纳秒。因此，要么加快计算速度，要么让量子比特变得更加‘忠实’。”

当我们不观察量子比特时，它们正在做什么？

这是一个有争议的话题，尤其是对那些更具实用主义的物理学家来说，他们可能会采用“闭嘴并计算”的态度，选择不去思考这个问题。

但对于多伊奇来说，想要真正理解量子计算机的工作原理，你必须接受休·埃弗雷特（Hugh Everett）的“多世界诠释”。

1957 年，埃弗雷特提出的多世界诠释理论在发表后受到冷遇，这一观点在今天仍然是少数派观点。其核心思想是：
每当有多个可能的结果时，所有结果都会发生。

例如，如果一个放射性原子在某一时刻可能会衰变，也可能不会衰变，
那么在一个宇宙中，它会衰变，而在另一个宇宙中，它不会衰变。
这些小的“可能性分支”会逐渐扩展，直到每种可能的情况实际上都变成了现实。

根据多世界理论，历史不是单一的，而是无数的分支。

在一个宇宙中，你的猫死了；在另一个宇宙中，它活着：

在第三个宇宙中，你在 7 岁时死于一次雪橇事故，甚至从未把猫放进那个盒子里。

多世界理论是一种本体论上极为“奢侈”的主张，但它也带来了一些令人感到安慰的平凡含义：

在多世界理论中，科学对世界的全面解释的理想依然保持不变。

正如多伊奇所解释的，叠加态的怪异性实际上只是“物理变量在不同宇宙中具有不同值的现象”。

而让爱因斯坦等人感到困扰的纠缠现象（尤其是其暗示粒子可以在空间或时间上无论相隔多远都能瞬间通信的含义），在多世界理论中也得到了合理的解释。

在多世界理论中，信息并没有以超光速传输的方式“传递”，而是以更常见的“直接接触”的方式传播——只不过我们需要调整我们的认知，接受这些“接触”是通过邻接宇宙的切点来实现的。

另一个额外的好处是，随机性也不复存在。

例如，一个原子有 10% 的概率在某一时刻衰变，这在多世界理论中并不被视作“随机事件”，而是指在从那个点分支出来的宇宙中，在 10% 的宇宙中原子会衰变。

20 世纪 70 年代，埃弗雷特的理论终于得到了他在 1957 年提出这一想法时所未曾得到的认真的关注。

但即便到了今天，大多数物理学家对这一理论并不信服。

物理学家大卫·迪文森佐（David DiVincenzo）表示：“我自己从未接受过这种观点，但我认为这也没什么害处。”

另一位量子计算物理学家称该理论“完全荒谬”，但阿图尔·艾克特（Artur Ekert）则说道：“在所有的‘怪异理论’中，我会说多世界理论是最不怪异的那个。”

在多伊奇看来，“埃弗雷特的做法是看量子理论本身在说什么，而不是希望它在说某些特定的内容。我们想要的是一个与现实相符的理论，而为了弄清楚它是否与现实相符，你需要看清理论实际上说了些什么。但对于最深奥的理论，这一点实际上相当困难，因为它们违背了我们的直觉。”

我告诉多伊奇，我听说甚至连埃弗雷特自己也认为他的理论无法被验证。

“那是一个灾难性的错误，”多伊奇说道。“每一位创新者在提出创新时，都会带着他们所处时代的旧有世界观。因此，不能责怪他把他的理论视为一种‘解释’。是，”（此处他稍作停顿），“我提出了一种验证埃弗雷特理论的方法。”

多伊奇的假设是，设计一个在量子力学实验中充当“观察者”的人工智能程序，让这个 A.I. 程序，而不是科学家，去执行那个“有问题的观察”任务。

通过多伊奇的一个巧妙想法，物理学家只需观察这个“观察者程序”，就可以在埃弗雷特理论为真的情况下看到一个结果，而在埃弗雷特理论为假的情况下则会看到另一个不同的结果。

这只是一个思想实验，因为当时并不存在足够复杂的 A.I. 程序，能够作为实验中的观察者来运行。

但多伊奇提出，理论上，这种程序是可能存在的，只是它需要在一种更为先进的硬件上运行，这种硬件必须足够强大，能模拟其他任何硬件，包括人类的大脑。

“这种能够运行 A.I. 程序的计算机必须具有通用性，因此，我不得不假设这样一种“具有量子相干性的通用计算机”，这实际上就是我首次提出量子计算机的建议。不过，当时我并没有将其称为“量子计算机”，但实际上这就是它的本质。”

换句话说，多伊奇似乎两次独立地想出了量子计算机的概念：

第一次是为了设计一种方法来验证多世界理论的有效性，

第二次是源于他与查尔斯·贝内特（Charles Bennett）的对话，由此得出量子计算和复杂性理论之间的关系，并提出了一种支持多世界理论的有力论据。

对于那些认为“多世界诠释”不必要地“过于繁复”的人，大卫·多伊奇写道：“平行宇宙的量子理论并不是问题——它是解决方案……这是一种解释——唯一可行的解释——解释了一个令人惊奇且反直觉的现实。”

这种理论还解释了量子计算机的工作原理。

多伊奇告诉我，量子计算机将是第一种允许跨越平行宇宙进行协作的技术。

量子计算机的计算能力将来源于某种“工作外包”，在这种机制中，计算实际是在其他宇宙中完成的。

纠缠的粒子将作为不同宇宙之间的通信路径，它们共享信息并汇总结果。

例如，考虑肖尔算法（Shor's Algorithm）的情况。

多伊奇说：“当我们运行这种算法时，无数个‘我们’也在其他宇宙中运行着这段算法。量子计算机通过创建叠加态，使这些宇宙有所区别。因此，这些宇宙的‘我们’会分别针对各种不同的输入执行部分计算。之后，这些值彼此相互影响，最终共同贡献出一个统一的最终答案，而这一答案会在所有宇宙中一致出现。”

多伊奇对建造量子计算机的兴趣，更多的是出于对基础物理的关心，尤其是对多世界诠释的验证，这也是对“科学能够解释世界，现实是可知的”这一观点的胜利支持。

（当谈到休·劳里时，多伊奇说道：“豪斯医生之所以能治愈病人，不是因为他对人感兴趣，而是因为他对解决问题感兴趣。”）

肖尔算法令多伊奇感到兴奋，但他在《真实世界的脉络》中这样表达了他的激动：

“对于那些仍然坚持单一宇宙世界观的人，我提出一个挑战：解释肖尔算法的工作原理。我不仅仅是指预测它会起作用，这只需要解决一些不具争议的方程即可。

我指的是，提供一个解释。当肖尔的算法分解了一个大数，使用的计算资源大约是10^500 倍，远远超过我们可见的宇宙中的所有资源，而我们整个可见宇宙中的原子总数大约是10^80 个，这与 10^500 相比，简直是微不足道的。

所以，如果“可见宇宙”就是物理现实的全部，那么物理现实连分解这个大数的资源都完全不具备。那么，是谁分解了它？计算是如何进行的？在哪里进行的？”

多伊奇认为，量子计算和多世界理论密不可分。在这一信念上，他几乎是孤军奋战。

但许多人（尤其是牛津大学的学者）也承认，如果能够建造出一台规模可观且稳定的量子计算机，那么这可能会成为对埃弗雷特诠释的有力证据。

“一旦出现了真正的量子计算机，”多伊奇对我说道，“一名记者走进实验室，问物理学家‘这台实际的机器是如何工作的？’物理学家要么会编一些模糊不清的胡话，要么就会用平行宇宙的语言来解释。这将成为一则轰动的新闻。到那时，多世界理论将成为我们文化的一部分。其实，这和建造这些计算机毫无关系，但从心理层面上来说，这与建造这些计算机息息相关。”

将多伊奇视为“先知式的预见者”是很有诱惑力的，因为他在其他领域也曾是个先知。

“量子计算机本应在 1930 年代就被发明出来，”他在我们对话的最后这样说道。

“我在 1970 年代末和 1980 年代初所做的那些工作，并没有用到任何 1930 年代未知的创新。”这一点是毫无疑问的事实。

他接着说道：“问题是，为什么呢？”

迪文森佐（DiVincenzo）提供了一个可能的解释：“大多数物理学家会说，‘我对哲学不太在行，我也不太清楚该怎么想，但这并不重要。’”

迪文森佐并不接受多世界理论，但他也不愿轻易否定多伊奇的信念，部分原因是这激发了多伊奇的关键理论。

但还有一个原因是：“量子力学在物理学中有一个独特的地位，因为它有一条哲学的暗流，这在牛顿定律和万有引力中是找不到的。但大多数物理学家认为这是一片泥潭，他们不想卷入其中——他们更愿意研究想法的影响，他们更愿意去计算某些东西。”

在耶鲁大学，罗伯特·舍尔科普夫（Robert Schoelkopf）带领的团队建造了一台两比特量子计算机。

“多伊奇是一个极具原创性的思想家，他的那些早期论文至今仍然非常重要，”舍尔科普夫告诉我。“但我们在这里的工作是开发硬件，以验证理论家提出的那些描述是否真正有效。”

他们将这台计算机配置为运行一种名为格罗弗算法（Grover's Algorithm）的程序，这是一种类似四张牌蒙特卡罗（four-card monte）的问题：哪一张隐藏的牌是“皇后”？

这是肖尔算法的初级版本，但它是一台小型量子计算机能够应对的任务。

舍尔科普夫团队的量子计算机芯片是在内部制造的。

“这块芯片的材料基本上是一块非常薄的蓝宝石或硅晶片——这是一种良好的绝缘材料，然后我们在上面铺设一层超导金属的图案化薄膜，这层薄膜用来构成电路布线和量子比特，”舍尔科普夫解释道。

他展示给我看的芯片比小指甲盖还小，看起来像一张地铁线路图。

舍尔科普夫和他的同事米歇尔·德沃雷（Michel Devoret）带我参观了一个实验室，这间实验室布满了黑色的实验台、看不懂的设备和一些普通的显示器。整体风格不经意间带有几分蒸汽朋克的美学。

实验室里的灰尘让我打了个喷嚏。“我们不喜欢清洁工来打扫，因为担心他们会扰乱某些东西，”舍尔科普夫说道。

虽然量子比特芯片很小，但支撑芯片的设备却相当庞大。

设备中最显眼的部件是一个高级制冷系统，它的管道系统错综复杂，其任务是将两个量子比特的环境温度降至比绝对零度高 10 毫开尔文。

低温能显著提高量子计算机的保真度。

另一台设备则用于生成微波信号，这些信号可以操控量子比特，使其进入实验者选择的任意叠加态。

运行格罗弗算法（Grover's Algorithm），普通计算机最多需要三步。

如果在检查了前三张卡牌之后仍未找到“皇后”，那么最后一张牌必定是“皇后”，这只需要平均 2.25 步的时间。但量子计算机只需一步就能完成这项任务。

这是因为量子比特能够同时代表不同的值。在四张牌蒙特卡罗的示例中，每张卡的状态可由四种组合状态来表示：

0,0；0,1；1,0；1,1。

这四种状态中的一个被指定为“皇后”，量子计算机的任务就是确定哪一个状态代表“皇后”。

舍尔科普夫解释道，“魔力来自于计算机的初始状态。通过微波辐射脉冲的控制，两个量子比特被设置为 0 和 1 的叠加态，这样一来，每个量子比特同时代表两种状态，而这两个比特的组合就能表示四种状态。”

物理学家德沃雷（Devoret）进一步解释说，“信息可以以某种方式全息地分布在整个计算机中；这正是我们所利用的特性。这种特性在经典信息处理器中是找不到的。在经典计算机中，比特只能处于一种状态——它要么在这里，要么在那里。但在量子计算机中，比特可以同时‘无处不在’，这非常有用。”

通过叠加和纠缠，量子计算机同时研究四个可能的“皇后”位置。

“目前，我们80% 的时间能得出正确的答案，即便如此，我们仍然感到非常兴奋，”舍尔科普夫说道。

使用格罗弗算法，或者从理论上讲，使用肖尔算法，计算是并行执行的，但不一定是在平行宇宙中并行执行的。

舍尔科普夫总结道：

“这就好比我有无数台经典计算机，它们同时测试不同的质因数。你从一个明确的初始状态开始，并以一个明确的最终状态结束。但在这两者之间的状态却是疯狂的纠缠态，不过这没关系。”

舍尔科普夫强调，量子力学是一种奇特的系统，但它确实是正确的。

“这些奇怪的现象，比如叠加和纠缠，过去人们认为它们是限制，但实际上，它们是可以加以利用的资源。量子力学不再是一种应该让我们感到奇怪的、出人意料的理论，它已经成为我们可以利用的东西了。”

舍尔科普夫似乎暗示，像多世界理论所提出的那些本体论问题，可能最终会被视为不切实际的理论。

他继续说道：

“如果你必须将我实验室中的一个结果，描述成涉及计算芯片、测量设备、用于数据收集的计算机，以及在实验台上操作的实验人员……那么在某个时刻，你不得不妥协，并且承认——‘现在量子力学已经不重要了，现在我只需要一个经典结果。’在某个阶段，你不得不简化，你必须舍弃一些量子信息。”

当我问他对多世界理论和“坍缩”解释的看法时，他说：“我有一种替代性的语言来描述量子力学，我认为它实际上应该被称为‘物理学家的坍缩’。”

他知道这是一种有趣的说法，但他也确实是在传达某种实质性的观点：“现实中，这其实是关于在什么地方‘坍缩’这个问题的讨论。”

我原以为多伊奇会对耶鲁团队在构建量子计算机方面的研究感到兴奋，于是我给他发了一封电子邮件，告诉他在构建量子计算机方面的最新进展。

但他回复道：“哦，我确信这些计算机会以各种方式变得非常有用。不过，我其实只是一个旁观者，尤其是在实验物理领域。”

阿瑟·柯南·道尔爵士从不喜欢那些通过时间推移来逐渐展现线索的侦探故事。他希望能写出这样的故事：

所有解开谜团的要素一开始就摆在那里，剧情的张力，像他所钦佩的爱伦·坡的故事那样，体现在主人公理性思维的推理过程中。

量子计算的故事也遵循了类似的“福尔摩斯式的叙事弧”，因为自从量子力学被发现的那一刻起，设计一台量子计算机所需的所有线索实际上就已经全部存在，它们只是在等待一个能够正确解码它们的头脑。但侦探小说的作者并不总是能坚持理性逻辑的原则。

尽管柯南·道尔发明了福尔摩斯这一理性主义的化身，但他自己却相信“唯灵论”和“精灵的存在”，尽管许多著名的通灵者和精灵摄影师最终都被揭露为骗子。

柯南·道尔还坚信他的朋友哈里·胡迪尼（Harry Houdini）拥有超自然能力，无论胡迪尼如何努力劝说他，柯南·道尔都拒不相信。

物理学家在某种程度上也是本体论的侦探。

我们通常认为科学家是完全理性的，对所有可能的论点都持开放态度。但从信念出发，然后使用智力和逻辑来支持这一信念，这其实也是一种有效的科学方法，

包括多伊奇在内的科学家们都曾采用过这种方法。

有人可能会争辩说，多伊奇之所以“发明了量子计算”，是因为他始终致力于证明“科学可以解释世界”这一信念。但多伊奇不同意这种看法。

在《真实世界的脉络》中，多伊奇写道：

“我记得小时候有人告诉我，在古代，仍然有可能知道世间所有的已知事物。但有人还告诉我，如今人类的知识量已经多到，即便一个人在漫长的一生中学习，

也无法掌握哪怕其中的一小部分。后一个说法令我震惊和失望。实际上，我拒绝相信它。”

多伊奇一生的工作，似乎都是为了反驳这一直觉上的不信任，并为这种信念收集论据。

当被问到他的想法从何而来时，多伊奇总是巧妙地回避。

他开玩笑地告诉我，他的想法来自去参加派对，但我感觉到，他已经很多年没参加过派对了。

他还说道：

“我不喜欢那种过度解读的科学报道风格，它容易误导人。所以勃拉姆斯（Brahms）靠喝黑咖啡、强迫自己每天写出一定数量的乐谱。看，你可以这么写，但这和我有什么关系呢？你当然可以写一篇关于一个怪异的英国人，他相信平行宇宙的文章，但我认为这种思维方式有点居高临下，它暗示着：‘如果你不像这些人一样怪异，你就无法成为一个有创造力的思想家。’

但这不是真的。怪异只是表面现象，它不是真的本质。”

【完】

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