传统计算机为什么不能快速解决高级密码的解码？笔记本电脑如何才能避免频频被入侵的难题？图灵为何要吃下毒苹果？量子计算机能替代传统计算机吗？……

跟随着世界著名科普大师约翰·格里宾著的《量子计算：从巨人计算机到量子位元》，了解量子计算世界的奥秘。作者以他对这个尖端技术的有趣研究，更新了科学界之前关于量子现实的观点，提出了存在“一切皆有可能”的许多平行世界的宇宙的论点。他回顾了艾伦图灵的工作密码机和第一台电子计算机，解释了由于量子理论的不断。

量子计算机不再只是科幻小说的素材。开创性的物理学家们即将为我们开启一个全新的量子宇宙，这个量子宇宙可以比我们的日常经验和常识更好地呈现真实世界。就像薛定谔著名的“既死又活的”猫一样，量子计算机的诞生依赖于同时存在于两种状态的电子、光子或原子等实体。量子计算机的出现必将颠覆现有的计算世界。

在他对这一尖端技术所做的有趣的研究中，约翰·格里宾更新了他之前对于量子世界的本质的看法。他认为存在一个由许多平行世界组成的宇宙，在其中“一切都是真实存在的”。回顾了艾伦·图灵对于恩尼格玛密码机的研究以及第1台电子计算机之后，格里宾解释了量子理论如何发展到不仅在原则上而且在实践中也可以让量子计算机进行运行成为可能。他让我们跳出理论物理学领域来探索量子理论在实践中的应用——从可以通过“直觉”、尝试和犯错中学习的计算机到无法入侵的笔记本电脑和智能手机。《量子计算：从巨人计算机到量子位元》对这一非凡的科学理论进行了深入研究，试图了解是否有可能用这个理论来创建一个通信速度比光速更快以及远程传送成为可能的世界。

第一部分 计算

 第一章 图灵和图灵机

 第二章 冯·诺依曼和计算机

 第一个插曲

第二部分 量子

 第三章 费曼和量子

 第四章 贝尔侦破纠结之网

 第二个插曲

第三部分 用量子进行运算

 第五章 多伊奇和多重宇宙

 第六章 图灵的继承者和量子计算机

结尾

注释

参考资料和更多阅读材料

图片致谢

约翰尼和原子弹

1946年7月，冯·诺依曼获得了美国陆军文职杰出服务奖章（US Navy's Distinguished Civilian Service Award）和美国总统杜鲁门（Harry S.Truman）颁发的荣誉勋章（Medal for Merit）。介绍这些是为了表明他是主要负责对高爆炸药进行有效利用的基础研究，这个研究是由美国海军提出的。研究发现了进攻行动的新武器原理。这里指的当然是原子弹。

1943年，冯·诺依曼被从英国召回，加入了“曼哈顿计划”。秋天来临时，他到达洛斯阿拉莫斯，在这里他为这个项目做出了两个关键贡献。第一个贡献是指出（并在数学上进行了证明），这样的炸弹在高空引爆比在地面引爆威力更大，这是因为产生的热量和冲击波会影响到更广泛的地区。第二个贡献的影响更加深远。

裂变式原子弹的工作原理是将足够量（“临界量”）的放射性物质，如铀或钚的力量集中到一起。在这种情况下，一个原子核的核裂变（“分裂”）所释放的粒子（中子）会引发更多的核裂变，从而形成一种失控的链式反应。正如爱因斯坦著名的质能方程式所显示的那样，每次“裂变”会将微小的质量转化为能量，最终就会引发热、光以及其他电磁辐射等大量能量的爆炸式释放。但是如果临界量没有受到严格的限制，中子逃逸和这些发射性材料中的大多数就只会发热，而不会爆炸。为了达到所需的结果，洛斯阿拉莫斯团队考虑的第一个方法是，在一根管子的两段分两部分准备临界量的铀，然后引爆常规炸药来将其中一块裂变材料（“子弹”）轰进另一块裂变材料中。理所当然，这种方法被称为“枪法”，亦称压拢型，并被用于投到广岛的原子弹“小男孩”的研制中。但是由于技术原因这种方法不能用于钚。因为钚比铀更加活跃，在原子弹击中目标之前就可能被“提前引爆了”。中子释放的速度太慢，导致原子弹只是发出嘶嘶声还不会爆炸。这就是冯·诺依曼展示自己才能的地方了。

冯·诺依曼抵达洛斯阿拉莫斯之前，团队的另一名成员塞思·内德梅耶（Seth Neddermeyer）建议通过引爆炸药来产生冲击波。因为这样会挤压“低于临界量”的钚达到临界量并爆炸。但是没有人跟进这个想法，并且没有人能够知道如何实现所需的结果。被誉为“氢弹之父”的洛斯阿拉莫斯团队成员爱德华·特勒（Edwarld Teller）后来回忆了这个问题是如何解决的。冯·诺依曼计算出了一块钚周围被塞满炸药并同时引爆时会产生多大的压力。这个结果似乎仍然达不到制造一枚实用原子弹所需的压力，于是他和从事地球物理学研究的特勒讨论了他的结果，特勒知道，在像地球中心那样的非常高的压力下，即便是铁这样的物质都会有因为被挤压而导致密度大于在地球表面的时候。他指出，这种挤压会使冯·诺依曼所描述的过程更加有效，其原因是钚原子被挤压得越厉害，就越容易发生链式反应。冯·诺依曼重新进行了计算，考虑了挤压的因素后发现这种方法是有效的。经过冯·诺依曼等许多人进行了大量的研究后，研制出了投放到长崎上空的“小胖子”原子弹，其爆炸原理是引爆32枚同时起爆的雷管，产生强大的内推压力，挤压球形钚，引发核子连锁反应，形成核爆。在电子计算机出现之前，这个方法在很大程度上要感谢冯·诺依曼进行数学计算的能力；但是这也凸显出有必要开发出进行这样的计算的更快方法，这样一来，冯·诺依曼不在旁边时就可以使用这个方法。由于第二次世界大战结束后冯·诺依曼仍然每年有两个月要访问洛斯阿拉莫斯，他开始参与基于核聚变反应而不是核裂变反应的氢弹的研发，这变得至关重要。这是因为即使是冯·诺依曼也不能一个人完成所有的计算。

“曼哈顿计划”所需的大量计算得到了IBM公司提供的计算机的帮助，这种计算机使用打孔的卡片对数据进行关联。当时并没有现代意义的计算机，但是可以对使用机械开关的低效计算机加以设置以进行基本的算术计算。例如，这样的一台计算机可以使用打上了对应于两个数字的孔（如7和8）的两张卡片，然后将它们相加，最后吐出一张打了对应于数字15的孔的卡片。还可以对它们进行设置来进行减法或乘法，这样这些计算机就可以处理大量的卡片。可以将几台这样的计算机设置在一起，这样一来，一台机器的输出结果就变成了下一台机器的输入数据，以此类推。这样一来，它们就可以按照下面的流程来执行任务：“选一个数字，乘以2，求其平方根，拿走你一开始所选的数字，在一个卡片上打上答案。”

在《你一定是在开玩笑，费曼先生？》一书中，理查德·费曼介绍了如何使用像这样的机器来为“曼哈顿计划”进行繁重的计算。他的同事斯坦利·弗兰克尔（Stanley Frankel）意识到可以使用IBM提供的机器，但是费曼最终自己完成了这些计算。第一步是：将涉及解答出钚的压缩性问题的计算分解成一个一个的计算——如今进行计算机编程的人对此都很熟悉。这些复杂计算的指令然后被传给一组“女孩子们”（费曼是这样称呼她们的），每个人都带着一个机械式计算器，比如一个加法机，进行手动计算。其中一个女孩只负责将传给她的数字进行乘法计算，然后将结果传给下一个女孩子；另一个女孩子则只负责进行立方计算；依此类推。这个系统按照这样的方法进行了测试和调试（计算机术语），直到弗兰克尔和费曼认为其的确有效为止，然后使用。IBM机器进行流水线操作。计算的速度最终达到了一屋子IBM机器的计算速度。费曼说，“唯一的区别在于，IBM机器不会感到疲劳，可以三班倒地工作。而女孩子们过一会就会感觉疲劳。”1944年春，冯·诺依曼作为费曼的客户之一深度参与了这个项目，深入了解了这个系统的运作情况。实际上，这个过程没有使用计算机进行计算，费曼担任了其中的程序员。这凸显出了一点，我们尚未拥有图灵希望的那种机械智能；我们只是拥有了可以和一群人做同样事情的机器，只不过速度更快，不会感到疲劳。无论如何，不管是人的团队还是机器都需要程序员。

P46-49

实验和理论物理学家目前都对开发基于量子理论的计算机的前景感到欢欣鼓舞。军方（他们可以提供大量资金）和大公司也对此有着浓厚的兴趣。量子计算是21世纪前20年中最热门的科研课题之一，量子计算主要依靠对量子实体（电子，光子或单原子）的操纵，这些量子实体可以同时处于两种状态，就像薛定谔著名的“既死又活的”猫一样。这是我的题目的由来。

量子计算是计算科学的一个分水岭，原因在于量子计算机不仅仅在运算速度上，在其他方面也远远超过了传统计算机。例如，量子计算机可以用来破解传统计算机完全不可能破解的密码，这也是军方和大公司感兴趣的主要原因之一。几十年前这一点在理论上就已得到了证明（理查德·费曼是第一个对这些问题进行思考的人）；而目前实用的量子计算机已经投入使用了。不可否认的是：迄今为止，如果用量子计算机解决非常简单的问题，例如，找出15的所有因数，就需要大量昂贵又不太可靠的设备。但是所有见证了传统计算机从昂贵又不太可靠，动辄占据整个实验室、浑身遍布发光的“阀门”的机器发展到个人电脑和iPad整个历程的人都不会怀疑，10年内计算机世界将发生天翻地覆的变化。更神奇的是：这样的机器将使得物理学家可以更好地把握量子世界的本质，在量子世界中，通信的传播速度要超过光速；远程传输成为可能；粒子可以同时位于两个不同的地点。其影响目前尚不可知，但是可以说，量子计算机所代表的进步远远超越了传统计算机，就像传统计算机曾经远远超越了算盘一样。

传统计算机通常被称为“经典”计算机，可以对二进制数字或字节组成的信息进行存储和处理。这就像普通的开关，可以处于两种位置：开或者关，上或者下。开关的状态是由数字0和1来表示，计算机所有的操作就是以适当的方式改变这些开关的设置。当我写这些句子时，我的电脑上在运行文字处理程序，同时也在播放音乐，还有一个提醒我收到新邮件的电子邮件程序在后台运行。计算机之所以具有这些以及其他一些功能是因为0和1的字符串正在计算机的“大脑”内被移动和操纵。

8个这样的比特[0或1]构成一个字节，此外，我们是在按二进制而不是十进制进行运算，乘法运算的步骤不是按照10，100，1000等进行递进，而是按照2，4，8，16这样进行递进。结果就是：210表示为1024，接近1000，又因为我们习惯于使用十进制，因此，1024个字节被称为千字节。同样，1024个字节构成一个兆字节，而1024个兆字节构成一个千兆字节。我的笔记本电脑的硬盘驱动器可存储160千兆字节的信息，而“计算机的大脑”- 处理器可以同时处理高达2千兆字节，这些字节都是以0和1字符串的形式进行存储的（而这样的计算机已经很落后了；今年的新型号计算机的功能要强大得多）。  相比之下，量子计算机则完全不同。在量子的世界中，电子等实体可以处于一种叠加状态。这意味着量子开关可以同时处于“开”和“关”两种状态，就像薛定谔的“既死又活的”猫一样。电子本身具有一种“自旋”的性质，这与我们日常生活中所指的“旋转”不同，但是可以认为这是指电子在做向上和向下的运动。假设“上”对应于0，而“下”对应于1，那我们就有了一个二进制的量子开关。在适当的条件下，量子开关可以同时处于“向上”和“向下”的状态。或者也可以处于“向上”的状态或“向下”的状态，这样就有了三种可能性！

一个处于叠加状态的量子开关可以同时存储数字0和1。借用经典计算机的语言来说，这样的量子开关就叫做量子位元，全称是“quantum bit”，读作“Cubit”，和圣经中的长度单位“肘”（Cubit）同音。量子位元就是指本书标题中的“量子猫”。量子位元的存在令人振奋。例如，两个传统的比特可以表示0到3这四个数字中的任何一个，它们有四种不同的组合方式：00，01，10和11。要同时表示所有的这四个数字（0，1，2和3），你就需要四对数字，即一个字节。但是只需要两个量子位元就可以同时表示所有这四个数字。作为一个数字像这样进行存储和运算的一组比特（或量子位元）叫做一个寄存器。一个寄存器由8个量子位元（=1个量子字节）组成，可以同时表示28个数字而不是4个数字。那么，一个量子字节中就可以存储256个数字。或者，正如牛津物理学家大卫·多伊奇所说，量子字节在多元宇宙中表示256个不同的宇宙，按某种方式进行着信息的共享。

在一台正在运行的量子计算机中，任何操作都需要同时在所有256个宇宙中，对所有由这个量子字节的信息所表示的256个数字中的每个数字进行处理，就像我们有256台经典计算机，每一台处理我们宇宙中的问题的一个方面，或者说，一台计算机需要运行256次，每求一个值都要运行一次。展望更远的未来，基于30个量子位元处理器的量子计算机将具有相当于一台传统计算机10万亿次浮点运算的能力（可以每秒进行万亿次浮点运算）— 这个速度超过今天的传统台式计算机一万倍，今天的计算机可以进行每秒10亿次浮点运算。这些数字预示着量子计算机的神奇能力；但是关键之处在于在计算结束后如何获取有用的信息——让不同的宇宙以适当的方式互相交涉以产生一个我们可以理解的“答案”，而不会在这个过程中破坏有用的信息。世界各地的数个研究团队已经掌握了这个方法，其中包括我所在的苏塞克斯大学的一个研究团队。这本书将告诉你，如何在原则上建造一台量子计算机。但是在这样的背景下，我想追溯一下机器计算的起源，如我们所知，要追溯到上个世纪30年代，这个时间比人类的寿命还要短，并且我还要介绍一下启动这一进程的人物的相关研究。

“格里宾已经成为在解开量子力学神秘面纱方面公认的大师。”

——吉姆阿尔·哈利利