不可靠的量子計算機

不可靠的量子計算機

2002-11-11

10:22:00

經(jīng)濟觀察報

姚期智2000年圖靈獎得主，普林斯頓大學計算機科學系教授

祖藉湖北孝感，1946年出生于上海，分別于1972年和1975年獲哈佛大學物理學

博士與伊利諾大學計算機科學博士。曾先后在麻省理工學院、斯坦福大學、加州大

學伯克萊分校等美國一流高等學府從事教學和研究。1986年至今則一直任普林斯頓

大學計算機科學系教授。他為美國國家科學院院士、美國人文及科學院院士以及

IBM

EC系統(tǒng)研究中心和Xerox

Palo

Alto研究中心的顧問。

2000年，他因對計算理論做出了諸多“根本性的、意義重大的”貢獻獲得計算

機學界的諾貝爾獎——“圖靈獎”。

在10月份微軟亞洲研究院發(fā)起的“21世紀的計算”研討會上，第一個圖靈獎華

人得主姚期智發(fā)現(xiàn)自己沒有足夠的時間向聽眾說清自己正在從事的研究。IBM最近

做出了量子計算機研制的突破，不過看上去離實際可行的計算機還有很遠的距離。

量子加密領域的發(fā)展比量子計算機要先行一步。

這是真的嗎？我們忠實的晶體管說：我要么是0，要么是1；而粒子跳出來說：

我可以是0或者1，也可以既是0又是1，我可以在這里或在那里，也可以既在這里又

在那里。

這難道不是我們小時候最狂野的夢想嗎？在寒冷的冬晨，我們聽著窗外呼嘯的

風聲，希望自己能夠舒舒服服地躺在床上，讓另一個自己代替我們去上學。粒子確

實可以辦到這一點，它不僅可以既躺在床上又去上學，還可以同時在其他宇宙里干

仗，解救被囚禁的奴隸。按照弗萊德金的說法，最小的粒子只需變成一顆bigish星

的大小，就可以完全模擬從大爆炸時期到今天的宇宙的演變過程，這個過程只需4

個小時。我們可以想象，假如粒子具有思維的話，它會在很短的時間內窮盡存在的

可能性，并最終明了上帝的意圖。

20世紀20年代，海森堡提出量子測不準原理，他發(fā)現(xiàn)不可能同時確定粒子的動

量(速度×質量)和位置——這基本上是通過理論推導出來的結論，后來的實驗也證

明了這一點——一個電子同時穿過了兩條縫。

但是愛因斯坦厭惡這個理論，他無法忍受一個創(chuàng)造出不確定存在的上帝。這導

致了1927年那場著名的愛因斯坦-玻爾爭論。愛因斯坦相信一定會有一個更深的理

論來同時確定粒子的動量和位置，他的后半生大部分花在尋找這個理論上，但他最

終也沒有逮住那可惡的粒子。

對自然科學家來說，尋找確定性是一項更艱難的工作，比對社會科學家要艱難

得多。后者總是按照晶體管的方式來安排自己的觀點，是或者不是，耶穌存在過或

者沒有存在過，特洛伊戰(zhàn)爭發(fā)生了或者沒有發(fā)生，中國在全球化或者沒有全球化—

—他們最終可以用材料的組織方式來證明自己的觀點。假如他們不這樣工作，人們

會認為他們干得很糟糕。自然科學家在做出結論時則有非常困難的障礙：凡是沒有

被證實的你就不能下斷言。這個證實過程可能是解一批全世界人加在一起10億年也

解不完的方程式，或者是期待一個700年后才出現(xiàn)的天文學發(fā)現(xiàn)。

所以才會有這個笑話，一位從2020年回到2000年的未來人告訴現(xiàn)代人：我們生

活在量子宇宙中，歷史可以同時有不同的狀態(tài)。已發(fā)生的可能從未發(fā)生，或者以很

多不同的方式發(fā)生?！翱墒俏覀?yōu)槭裁粗挥幸徊繗v史？”現(xiàn)代人問。未來人說：“

因為有天主教學校?！?/p>

與傳統(tǒng)計算機的二進制原理相比，量子計算機更像是四進制運算——粒子可以

同時進行幾種不同的運算。其加密涉及的數(shù)學問題極為復雜，比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)計算問

題要復雜得多。量子加密的方式，簡單地說，就是讓“偷看”密碼的行為干擾改

變系統(tǒng)，這樣，密碼是否曾被破譯就能檢測出來。就好像說，如果你偷看了我的

信件，我的信就會留下被改動過的痕跡。

這是因為量子計算機的不可移植性，它同時也給量子計算機的設計帶來無窮盡

的困難。假如，現(xiàn)在有一個擁有兩個位的量子計算機，我們想要從一個位將信息抄

到另一個位，也就是用鐳射光先去讀第一個位的信息，再去寫第二個位的信息。如

果本來要抄的狀態(tài)是0或者1，抄過去會和原來一模一樣；但是由于粒子的頑皮，第

一個位經(jīng)?？梢允且粋€介于0與1間的狀態(tài)，這時問題就來了：鐳射光會把這樣的一

個狀態(tài)變成0或變成1。因此抄過去以后，有一些信息就在這個讀取的過程中遺失了

。一個本來就不確定的狀態(tài)是不能復制的，也不能觀測而不干擾它。

當有兩個以上的位時，粒子還會產生所謂的纏結態(tài)entangled

states，你

可以想象這是很可怕的狀態(tài)，就像你本來讓幾個計算機在進行不同的運算，但是計

算機們忽然決定串通一氣，都干同一件事情。這些東西都讓量子計算機科學家傷透

腦筋。

不善于運用比喻和舉例的姚期智發(fā)現(xiàn)自己很難向外行人解釋，自己正在做什么

。這使人想起一個肖邦的故事，有人問肖邦他剛才演奏的曲子是什么意思，音樂家

一言不發(fā)地把曲子再演奏一遍，然后說：“就是這個意思?！蓖瑯拥?，熱愛彈奏鋼

琴的姚期智感到，如果不是原封不動地用那些公式和理論來敘述的話，他不能解釋

自己工作的內容。對量子計算機給未來世界帶來的變化，他并沒有科幻小說式的預

期。就像那些無處不在的粒子，他的大腦總是考慮各種各樣的可能，因此對任何預

測未來的問題他都不愿做出結論。他可能不具備戲劇感，但是他從自己的工作中得

到令人嫉妒的樂趣。對他而言，同行的理解和尊敬遠遠比大眾的仰慕更讓他愉快，

雖然后者在不占據(jù)太多時間的前提下，也很讓他高興。

愛因斯坦將世界視為獨立存在于人之外的客觀事實，“就像一個偉大恒久的謎

，我們的審視至少可以部分解開它?！痹诓柨磥?，這個事實并不存在，“沒有一

個量子世界，只有一個抽象的量子物理描述。如果你認為物理學的任務是發(fā)現(xiàn)自然

是什么，那你就錯了。物理學只關心我們能夠對自然說些什么?！睈垡蛩固共扇×?/p>

笛卡爾在《沉思》中不得不奉行的準則：“凡是我們理解得非常清楚、非常明白的

東西都是真實的”。這個準則使我們獲得安全感，誰愿意相信自己剛剛塞進嘴里的

不是一片面包，而可能是一片棉絮呢？

但是另一些科學家們更愿意認同于玻爾的看法，他們在科學為自己建筑的平臺

上舞蹈，而不必考慮平臺究竟是虛擬的還是水泥的。說到底，你面前這張報紙很可

能并不存在，或者它并一定不是橙紅色的，它可能同時還存在于另一個世界，被一

個頭上長角的生物閱讀著，這個采訪與量子計算機無關，而是一個愛情故事。

人工智能與量子計算機

問：圖靈機曾經(jīng)試圖將人的思維量化和邏輯化，這種努力究竟可以進行到哪一

步？現(xiàn)在有研究者認為，人腦運作方式與計算機的工作方式非常相像，有可能用計

算機來模擬人腦的思維嗎？

答：我的想法恰恰相反。現(xiàn)在很少還會聽到有人說，人腦可以用圖靈機模擬，

至少現(xiàn)在好像還沒有人相信在可見的未來能夠用計算機模擬人腦，至于到底人腦算

不算電腦，這還是值得討論的一個問題。把人腦當成一個計算機，這是一種比較寬

泛的概念，和一般我們解決問題的方法不太一樣。不過我覺得這是一個非常非常難

的問題，到底人腦以怎么樣的方式在運作，這個方面需要專門的專家，研究腦、神

經(jīng)的專家，花畢生時間去研究，這是非常非常深的問題。

問：是不是所有計算機科學家都有一個共同的想法，即盡量讓計算機像人腦一

樣思維？

答：在人工智能(Artificial

Intelligence，簡稱AI)研究的早期，可能有人

這樣想，仍然覺得這是可能實現(xiàn)的。但是現(xiàn)在好像人們不太有這種樂觀的想法，現(xiàn)

在人們的目標沒有這么高了。

問：那就是說，現(xiàn)在科學家提到的AI，和以前科學家提到的AI，所指的已經(jīng)不

是同一個東西了？不管是在科幻電影中，還是在傳統(tǒng)科學家的預想中，AI似乎追求

的就是基本上近似于人的智能水平，依您所說，現(xiàn)在我們提到的AI已經(jīng)不是以前的

那個方向和目標了？

答：當然還是有人對這種最基礎的概念有研究興趣，比如說到底什么叫智能。

但是就現(xiàn)在來講，研究AI的科學家都是在一個限定的領域里做研究，現(xiàn)在好像已經(jīng)

沒有人還有那種就一般性的模擬智能做研究的想法了。

問：這種對不同研究領域的嚴格劃分是否有點像經(jīng)濟學？現(xiàn)在的經(jīng)濟學越來越

多地受到心理學、社會學等其他學科的影響，生物學是不是也會給計算機研究造成

這樣的影響呢？

答：我想，生物學對計算機最大的影響，是在分子生物學(molecular

biology)里面，因為這個學科有大量的數(shù)據(jù)需要計算機幫助他們進行處理。我認為

，在生物學對計算機發(fā)展的刺激上，這就是最大的因素。至于在生物學中有哪個方

面能夠讓計算機去學習和發(fā)展成為更好的計算機，目前還不是太明朗。不過確實有

些演算法是模仿了生物學的內在特點，比如說有一派人搞的基因算法(genetic

algorithm)，他們訂立一套規(guī)則，讓不同的算法去競爭，優(yōu)勝劣汰，最后得到一個

比較優(yōu)的選擇。這些從側面對計算機科學帶來了一些沖擊，但不能說它們引起了非

常讓人吃驚的結果。

問：那您認為目前在科學上比較大的進展是什么？

答：在整個科學界嗎？在整個科學界里還是有很多令人興奮的事情。比如說，

大家覺得，我們也許能夠找到最基本的理論，可以解釋宇宙之間的所有現(xiàn)象，最大

的希望是能夠有一個理論，我能夠解釋這個宇宙，這里邊有很多漂亮的結果，會引

發(fā)一些數(shù)學上非常重要的發(fā)現(xiàn)。

有沒有什么是劃時代的……一般來講，每年都會有很重要的結果，但是很難講

誰是劃時代的。我想我們想要找到一個像相對論、量子力學這樣具有劃時代意義的

進展，在物理方面可能有比較大的進展，不過這只是我對物理比較熟的緣故，所以

我不敢講在別的領域里邊有沒有真正劃時代的。只是從所發(fā)表的學術論文的角度來

講，好像我們沒有看到一種真正能夠讓人的世界觀發(fā)生根本改變的，譬如沃森和克

里克(DNA結構的共同發(fā)現(xiàn)者)這樣的。

問：那么就計算機科學而言，量子計算是不是已經(jīng)相當具備劃時代性和影響力

了？它是不是計算機科學史上最大的一次革命？

答：如果量子計算機能夠成功實現(xiàn)的話，那么量子計算將是自圖靈以來最重要

的發(fā)展，因為它的整個架構完全改變了。

問：量子計算機到底是怎么一回事？聽說把一些東西裝進試管里，它自己就能

夠進行計算？

答：你說的那個是DNA計算，是另外一回事。計算機從馮·諾伊曼開始到現(xiàn)在

差不多有50年左右的歷史，基本上沒有改變過什么，有技術上的改進，但是基本原

理沒有改變。你所說的DNA計算，原理也沒有很大的改變，與50年代的計算相比差

別也不是那么大。比如說現(xiàn)在普通的計算機只有一兩個或者三四個進程，DNA計算

機則試圖在試管里做出很多個進程，但是它的基本原理與50年前還是一樣的。

而量子計算則完全不同。它的突破在于，從某個角度來講，它使用了完全不同

的邏輯，已不再是傳統(tǒng)的邏輯概念。傳統(tǒng)計算邏輯基本上就是0和1，而量子計算的

邏輯則是比0和1更為復雜的基本單位，這很難解釋的。

可以這樣打一個比方，量子計算的原理基本上有一點像光學。在光學上，如果

在一個屏風上刺幾個洞，光從一個光源出去之后，我們就可以看到后面一個屏風上

有明的有暗的，因為光是波，它有消有長，有彎彎曲曲的東西。在光學上，如果不

知道上面的針孔形狀，那么我們根據(jù)光穿過針孔后在后面的屏風上留下的樣子，可

以猜到針孔之間的關系或者距離。在量子計算上，如果我們手頭有一些數(shù)據(jù)，想用

這些數(shù)據(jù)進行計算的話，那么我可以讓這些數(shù)據(jù)穿過針孔的東西，到后面的屏風上

去看它會顯出什么樣子，然后就能據(jù)此說出數(shù)據(jù)有什么樣的性質。所以從這個角度

來看的話，量子計算就類似光學系統(tǒng)的計算，不過它跟一般用在光學上的計算機還

不是太一樣，這只是一個比喻。

問：量子計算機本身離成熟還有多遠？

答：這個問題當然不可能有人知道答案，我猜可能要15年，有人甚至說這根本

不可能變成現(xiàn)實，至少它非常難是大家都有的共識。

好在美國政府這幾年來對量子計算這方面的研究經(jīng)費投入較多。當然，多半的

錢都給了做物理的，是他們在研究怎樣實現(xiàn)量子計算。這些人本來都是很不錯的物

理學者，如果量子計算的研究完全沒有希望的話，他們不會改變研究方向、花寶貴

的時間來做這件事。一直以來我們有一個發(fā)現(xiàn)：如果說一個技術不是一定不能做到

的話，那么最終它都是可以實現(xiàn)的?，F(xiàn)在，大家都沒有想出一個真正的理由來證明

量子計算確實做不到。七八年前，物理學家就認為有一些困難是不可能克服的，但

是最近七八年都克服了這些非常關鍵的問題。

問：目前硬件的發(fā)展遵循摩爾定律，而軟件的發(fā)展卻似乎跟不上硬件的發(fā)展速

度，我們經(jīng)常談論的是如何讓軟件最大限度地調動起硬件的潛能來。對您來說，軟

件會不會出現(xiàn)概念上的大突破，最終使人類的計算發(fā)生本質上的變化？

答：我不是一個軟件方面的專家，但是我的印象是，沒有人覺得很快就能夠解

決我們以前不能夠解決的問題。基本上，怎么樣寫一個大的軟件程序，這種事情沒

有人知道怎么樣做。大家有一些聽起來不錯的想法，但是好像還沒有聽說過一種大

的系統(tǒng)是完全沒有bug的。

問：就是說，人們現(xiàn)在還沒有看到軟件方面會有像量子計算這樣的突破？

答：量子計算能夠實現(xiàn)很大突破，主要原因在于它的整個基礎理念都完全不同

以往。很難想象軟件方面能夠出現(xiàn)一個新的觀念，突然之間就讓所有的問題都不見

了，除非完全改變軟件的內在特點，如果說軟件還是這樣一行一行地寫的話，很難

想象(它會發(fā)生很大突破)……一般來講，你在錯綜復雜的大系統(tǒng)下面決定要具體做

什么事情，這就已經(jīng)很困難了。你得想出一個方法，告訴自己到底想要做什么事情

，寫成白紙黑字，這就已經(jīng)是一個很巨大的工作了。像Windows這樣的一個系統(tǒng)，

你要把它的整個構思、每個要求都全部寫下來的話，我相信在寫的過程中就一定會

有錯。

科學家：自我尊重與公眾尊重

問：從二戰(zhàn)后到80年代，是科學非常顯赫的時期，科學家非常受人尊敬和關注

。但是這之后，科學的發(fā)展逐漸變成了理所當然，沒有人再去奇怪科學的進步，科

學家受到的關注也遠不如前。盡管90年代IT業(yè)發(fā)展非常迅猛，但計算機科學家受到

的關注并沒有因此增加。包括榮獲了圖靈獎的科學家，受到的關注也不比以往。對

您來說，這種變化有沒有什么影響？它會不會影響到您投入研究的熱情？

答：我個人的意見是，你所追求的是自我尊重(self

respect)和自我實現(xiàn)。在

這個過程中，你可能會得到同行的尊重(peer

respect)，如果你得到了公眾的尊重

(public

respect)，從一個角度來講，也是會影響到你自己，但那是虛榮心方面的

東西。

問：那就是說，不管外界對科學家的關注到什么程度，對科學工作者本身來說

，公眾尊重總是影響力最小的？

答：每個人會不一樣，有些人比較在乎，有些人比較不在乎，我想這會因行業(yè)

而異。

問：那是不是說，同行的尊重更能夠給您激勵？

答：(笑)當然，得到公眾的尊重也很好，我不能說我不喜歡這個。

問：比如說，像我們這樣的人，我們都非常地尊敬您，但是什么都不懂。

答：(微笑)人都是有點虛榮心，(得到公眾的尊重)這當然是很好的事情。但基

本上這不是影響你決定做科學家的因素。我在決定成為一名科學家時，不會是因為

將來能夠得到公眾的尊重才去做。

基本上，做科學家是一件很舒服的事情。我想，不光是做科學家，每個人能夠

發(fā)現(xiàn)自己最能夠去做的事情，而且還有機會去做，那都是最舒服的事。在美國，有

相當好的條件和舒適的生活方式讓你去做研究，我自己都有點不好意思，我就覺得

生活不應該會這么好。

問：您沒有覺得很辛苦嗎？

答：好像沒有，因為基本上是自己在驅動自己，你自己愿意去做，你有足夠的

意志力去做。

問：你小時候最想成為什么樣的人？

答：我想很多的中國家庭都希望自己的孩子做一個學者，這是最好的職業(yè)，比

較獨立的，不會太受環(huán)境的影響。所以，我從小就是想要做個科學家，但是我不曉

得做什么樣的科學家。比較好的是，因為我們那個時候信息比較缺乏，不需要你去

擔心太多。很自然，運氣好的話，碰到一些事情你是能夠做到的，運氣不好的話，

你就進入你不喜歡的行業(yè)。所以也沒有煩惱，我想跟中國父母對孩子的期望一樣：

上最好的中學，考進最好的大學，以后能夠留學。

問：對你影響最大的人是誰？

答：我想是愛因斯坦。

問：在哪些方面對你影響最大呢？

答：主要是他的作品。在高中的時候，讀過Eddington寫的介紹愛因斯坦的一

本書。以前在我們那個時候，臺灣還相當窮，只有美國新聞處有這種洋書。我去那

里借了一本書，雖然是寫給大眾看的讀物，但是因為相對論是非常難的理論，要看

很久才能看懂。但是那天看懂的時候非常非常高興，從來沒有過這種感覺。后來讀

量子力學也有這種感覺，這種激勵感好像是世界上最值得追求的一個東西，希望自

己將來即使做不到這樣偉大的事情，但是也要向這個方向前進。所以我做科學家，

讀這幾個學說對我的影響最大。

問：您剛才提到，作為科學家最重要的是自我尊重，其次是同行尊重和公眾尊

重。當然了，它們都很重要。

答：(笑)最好都有。

問：因此，我們知道，科學研究最重要的驅動力來自于自我(self

drive)。二

戰(zhàn)之前，人們都是因為個人興趣而投入科學研究。但到了戰(zhàn)后，情況發(fā)生了變化，

科學家從完全自發(fā)的、出于興趣的研究，變成了政府、商業(yè)機構或非商業(yè)機構投資

的、以任務為導向的研究。人類在科學研究上的這樣重大轉變，不知道對科技工作

者來說有沒有影響？

答：我想這是沒有辦法的，因為現(xiàn)在科學研究的重要項目都需要很多很多人。

所以沒法說這種事情是好是壞，這是無法避免的。最重要的要留下生存空間，讓那

種想要享受生活的、獨立的思想者有機會發(fā)展。這兩個事情是沖突的，但是在很多

情況下，最大的發(fā)現(xiàn)并不是因為有很多錢才得到的，而是個人做的。很多事情都是

偶然的決定。

問：公司或者政府組織的研究，非常容易造成研究組織之間的壁壘，也就是所

謂的商業(yè)機密或者國家機密，您覺得這對現(xiàn)在的科學研究會不會造成很大的阻礙？

答：我不太清楚中國的情形，但我知道美國的情形。在美國，學校還是一個很

重要的研究力量，在學校里面做研究的人，通常錢都是從政府里來，而不是被某一

個公司贊助。一般來講，像自然科學基金這樣的研究機構，他們基本上還是相當公

正的，他們的錢還是給了正確的人去做正確的事。學校里甚至有教授和贊助的公司

爭執(zhí)的情形，我覺得這是一種平衡力量。