宇宙會是一台巨大的量子計算機嗎？

文 / 蘇和仲
大衛·L·錢德勒(David L. Chandler)發表在最新一期《自然》(Nature)的<宇宙會是一台巨大的量子計算機嗎？>( Could the Universe be a giant quantum computer?)說，「計算規則可能比物理動力學方程更好地描述宇宙的演化——但前提是它們被賦予了量子扭曲。」(Computational rules might describe the evolution of the cosmos better than the dynamical equations of physics — but only if they are given a quantum twist.)
電腦科學可以教你任何物理學的知識是完全瘋狂想法
美國電腦科學家兼物理學家愛德華·弗雷德金 (Edward Fredkin) 今年六月去世，除了《紐約時報》遲來的訃告外，基本上沒有引起人們的注意。然而，儘管弗雷德金從未像他的一些同時代人那樣家喻戶曉，但他對他所涉足的兩個學科都產生了巨大的影響。許多人仍然對他的中心論點猶豫不決：物理定律，甚至宇宙本身的定律，本質上都是計算機算法的結果。但弗雷德金所倡導的「數字物理學」已經從蒼白無力變成了幾乎主流。「當時認為電腦科學可以教你任何有關物理學的知識，這被認為是一個完全瘋狂的想法，」加拿大計算機科學家諾曼·馬戈盧斯(Norman Margolus) 說，他是弗雷德金的長期合作者，也是他唯一的物理學博士生。「從那時起，世界已經發生了變化，現在一切都非常值得尊敬。」
粒子、波、兩者兼而有之還是兩者都不是？
弗雷德金(Fredkin) 從帕薩迪納市的加州理工學院(Caltech) 大一退學後，於1953 年加入美國空軍，成為一名戰鬥機飛行員，並最終成為緊編隊噴氣機飛行員精銳部隊的教官。空軍讓他進入計算機科學領域，並於 1956 年派他到位於列剋星敦的麻省理工學院 (MIT) 林肯實驗室，致力於使用計算機處理雷達信息來指導飛行員。弗雷德金 於1958 年離開空軍，加入了位於馬薩諸塞州劍橋的先驅計算公司Bolt Beranek & Newman（現已成為雷神公司的一部分），在那裡，他編寫了一種早期的彙編語言，並參與了人工智能( AI) 項目。
弗雷德金 最終領導了 MAC 項目，這是一個研究機構，後來發展成為麻省理工學院的計算科學實驗室。該職位只是廣泛的投資組合之一。「他在現實世界中做了很多事情，」馬戈盧斯說，他現在是麻省理工學院附屬的獨立研究員。其中包括經營他的公司、為一家海水淡化公司設計反滲透系統以及管理新英格蘭電視台（ABC 位於馬薩諸塞州波士頓的附屬機構）。馬戈盧斯說，根據合同規定，弗萊德金每週只能進行一天的戶外活動，有時他會連續幾週都不見踪影。
前瞻性思維倡導人工智能研究的國際合作
在 20 世紀 60 年代末，人工智能仍然主要是一個理論概念，但 弗雷德金 很早就認識到具有學習能力和自主決策能力的機器所帶來的政策挑戰，包括國家安全方面的挑戰。他倡導人工智能研究的國際合作，認識到就如何使用該技術達成早期共識可以防止出現問題。然而，召開該領域頂尖思想家國際會議的嘗試從未完全實現——這一失敗至今仍引起共鳴。1974 年，弗雷德金離開麻省理工學院，在加州理工學院擔任了一年的傑出學者，在那裡他結識了物理學家理查德·費曼和斯蒂芬·霍金。隨後，他接受了賓夕法尼亞州匹茲堡卡內基梅隆大學的終身教職，後來又在波士頓大學獲得了第二個職位。從那時起，他開始研究可逆計算。
當時，可逆計算被廣泛認為是不可能的
當時，可逆計算被廣泛認為是不可能的。傳統的數字計算機由一系列邏輯門（AND、OR、XOR 等）組裝而成，其中通常有兩個輸入變成一個輸出。輸入的信息被擦除，產生熱量，並且該過程無法逆轉。弗雷德金 與Margolus 和一位年輕的意大利電氣工程師Tommaso Toffoli 一起展示了具有三個輸入和三個輸出的某些門（後來被稱為弗雷德金 和Toffoli 門），可以進行排列，以便保留任何可能計算的所有中間步驟，允許該過程在完成後逆轉。正如他們在 1982 年發表的一篇開創性論文中指出的那樣，至少在理論上，用這些門構建的計算機可能不會產生廢熱，因此不會消耗能量。
開創了量子計算機的時代
起初這似乎只是出於好奇。弗雷德金 認為這個概念可能有助於開發更高效、更少浪費熱量的計算機，但沒有實際的方法可以完全使用經典計算機來實現這個想法。然而，1981 年，歷史發生了新的轉折，弗雷德金 和 Toffoli在 MIT 組織了計算物理學研討會。費曼是出席的傑出人物之一。在現在著名的貢獻中，他提出，與其嘗試用傳統的數字計算機模擬量子現象，一些表現出量子行為的物理系統可能是更好的工具。
這場演講被廣泛認為開創了量子計算機的時代，量子計算機利用量子力學的全部力量來解決某些問題，例如費曼正在解決的量子模擬問題，速度比任何經典計算機都要快得多。四十年過去了，小型量子計算機現在正在開發中。使其工作所需的電子設備、激光器和冷卻系統消耗大量電力，但量子邏輯運算本身幾乎是無損的。
物理學家在量子計算機中創造了蟲洞嗎？
麻省理工學院的機械工程師 Seth Lloyd 於 1993 年開發了被認為是第一個可實現的量子計算機概念2，他說，可逆計算「確實是能夠構想量子計算機的一個重要先決條件」 。勞埃德補充道，儘管 IBM 物理學家查爾斯·貝內特 (Charles Bennett) 也製作了可逆計算模型，但 弗雷德金、Toffoli 和 Margolus 描述的零耗散版本最終成為構建量子計算的模型。
在 1982 年的論文中，弗雷德金 和 Toffoli 開始朝一個相當不同的方向發展他們的可逆計算工作。首先是一個看似無聊的比喻：台球桌。他們展示了數學計算如何通過完全可逆的台球相互作用來表示，假設有一個無摩擦的桌子和球沒有摩擦地相互作用。
可逆概念的這種物理表現源於托弗里的想法，即與傳統上用於描述運動和變化的微分方程相比，計算概念可能是封裝物理的更好方法。弗雷德金更進一步，得出結論，整個宇宙實際上可以被視為一種計算機。在他看來，這是一個「細胞自動機」：計算位或細胞的集合，可以根據一組定義的規則翻轉狀態，這些規則由周圍細胞的狀態決定。隨著時間的推移，這些簡單的規則可以產生宇宙的所有復雜性——甚至生命。
弗雷德金認為世界是一台大計算機
他並不是第一個嘗試這種想法的人。德國土木工程師康拉德·祖斯(Konrad Zuse) 在第二次世界大戰前開發出了第一批可編程計算機之一，他在1969 年出版的《計算空間》一書中提出，宇宙可以被視為一個經典的數字元胞自動機。弗雷德金和他的同事們高度關注地提出了這個概念，花了數年時間尋找簡單的計算規則如何產生與亞原子粒子和力相關的所有現象的例子。
並不是每個人都印象深刻。馬戈盧斯回憶道，當時也在麻省理工學院任教的著名物理學家菲利普·莫里森告訴弗雷德金的學生，弗雷德金是一名計算機科學家，所以他認為世界是一台大計算機，但如果他是一名奶酪商人，他會認為世界是一塊大奶酪。當英國計算機科學家斯蒂芬·沃爾夫拉姆 (Stephen Wolfram) 在其 2002 年出版的《一種新科學》一書中提出類似的想法時，弗雷德金的反應是：「沃爾夫拉姆是第一個相信這種東西的重要人物。我一直很孤獨。」
將弗雷德金計算規則換成量子規則，許多問題就會消失。
然而事實上，沃爾夫勒姆並不是唯一一個探索這些想法的人。儘管弗雷德金本人最初使用了「數字物理學」一詞，後來又使用了「數字哲學」，但該主題的現代變體使用了「泛計算主​​義」和「數字主義」等術語。它們受到了荷蘭物理學家諾貝爾獎獲得者杰拉德·特·霍夫特和美國物理學家約翰·惠勒等研究人員的擁護，約翰·惠勒著名的「來自比特」的名言就是這一假設的簡潔表達。
包括馬戈盧斯在內的一些人繼續發展該理論的經典版本。其他人得出的結論是，經典的計算模型無法解釋我們所觀察到的宇宙的複雜性。根據勞埃德的說法，弗雷德金最初的數字宇宙理論「對於經典數字宇宙能夠理解量子力學現象具有非常嚴重的障礙」。但是，將弗雷德金數字物理學的經典計算規則換成量子規則，許多問題就會消失。您可以捕捉量子宇宙的內在特徵，例如在空間中分離的兩個量子態之間的糾纏，而基於經典思想的理論則無法做到這一點。
IBM 量子計算機突破計算里程碑
勞埃德在 20 世紀 90 年代開始的一系列論文以及 2006 年出版的《Programming the Universe》一書中支持了這一想法。它最終全面闡述了量子計算規則如何解釋已知的物理定律——基本粒子理論、粒子物理的標準模型，甚至可能是基礎物理的聖杯：量子引力論4。
這些建議與我們生活在計算機模擬中的最新觀點截然不同，該觀點由英國牛津大學的瑞典哲學家尼克·博斯特羅姆等人提出5。數字宇宙假設計算宇宙的基本初始條件和規則是自然產生的，就像傳統物理學的粒子和力在大爆炸及其後果中自然產生一樣，而模擬假設則假設宇宙都是由某些人故意構建的。高度先進的智能外星程序員，也許是某種宏大的實驗，甚至是一種遊戲——在勞埃德看來，這是一種難以置信的複雜努力。
量子數字宇宙的想法似乎有望揭開其中的一些謎團
數字宇宙的基本思想可能只是可測試的。對於宇宙是由微小的普朗克尺度的數據位系統產生的——目前的物理學理論預計在這個尺度上會崩潰——空間和時間必須由離散的、量化的實體組成。這種粒狀時空的影響可能會表現在微小的差異上，例如，不同頻率的光傳播數十億光年所需的時間。然而，真正確定這一想法可能需要一種量子引力理論，該理論能夠建立愛因斯坦廣義相對論在宏觀尺度上的效應與量子效應在微觀尺度上之間的關係。迄今為止，這一點還沒有被理論家們所理解。在這裡，數字世界可能會幫助自己擺脫困境。勞埃德說，通往量子引力理論的有利途徑逐漸開始在本質上變得更加計算化——例如特霍夫特引入的全息原理，它認為我們的世界是低維現實的投影。勞埃德說：「這些量子數字宇宙的想法似乎有望揭開其中的一些謎團。」
這只是一個非常規故事的最新轉折。弗萊德金本人認為，他缺乏典型的物理學教育在一定程度上使他能夠在這個問題上形成自己獨特的觀點。勞埃德傾向於同意這一觀點。「我認為，如果他接受過更傳統的教育，如果他通過晉升並參加了標準的物理課程等等，也許他就不會做那麼有趣的工作。」