科技 | “量子计算之父”多伊奇

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没有固定工作、鲜少与人来往、隐居于英国牛津郊区的大卫·多伊奇凭借在量子计算领域的研究名声斐然，得名“量子计算之父”。今年9月，他因对量子计算的不凡贡献获颁科学突破奖，他的开创性工作不仅为今天快速发展的量子计算机铺平了道路，也引领了基础物理学的前沿研究。

▲2022年9月22日，2023年科学突破奖获奖名单公布，现年69岁的大卫·多伊奇与另外三名量子计算领域的先驱获得基础物理学突破奖。

牛津大学克拉伦登物理实验室（Clarendon Physics Laboratory）的楼梯间挂着一张1990年代末的合照，一众衣着整齐的物理学家齐聚草坪，纪念量子计算中心的创立。突兀又诡异的一角，大卫·多伊奇（David Deutsch）的头像通过PS技术被放在远处，光影与其他人均不同步，看起来就像是被传送到照片中的时空旅行者。这番设计好似同僚间的玩笑，或许也是对多伊奇研究项目的隐喻，这位瘦削异常的物理学家是量子力学“多世界诠释”（Many Worlds Interpretation，一种平行宇宙假说）的支持者，他认为量子计算将是首个能让平行宇宙之间协作执行任务的技术。他的一篇论文奠定了量子计算理论的基础、开辟了物理学的新领域。他还写出了第一个超越最佳等效经典算法的量子算法，推动了量子计算的发展，被誉为“量子计算之父”。2022年9月，他与另外三名量子信息领域的先锋人物获得基础物理学突破奖（Breakthrough Prize in Fundamental Physics），分享300万美元奖金。多伊奇的开创性工作为他赢得了非凡认可，他还曾获得狄拉克奖（Dirac Prize）、墨子量子奖（Micius Quantum Prize）以及艾萨克·牛顿奖（Isaac Newton Medal and Prize）。2008年，他被提名为英国皇家学会（FRS）院士时，被描述为“在全球范围内为这个全新跨学科领域的研究工作奠定了基调”。

量子计算的著名“患者”

诺贝尔奖得主、物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）曾说：“当想象力延展至极限，不是像小说中那样去想象真实世界不存在的东西，而是去理解那些切实存在的东西。”正如物理学的发展历史，能看到一个个荒谬绝伦的想法被证明切实无误。物理学家似乎也总是处于不断接受奇诡理论的历程中，多伊奇的早期工作成果曾因“太哲学”被多家物理期刊拒收，有些发表了的论文也只有少数人能够理解。其中一人是当时牛津大学的研究生阿图尔·埃克特（Artur Ekert），他将研究量子计算的人形容为“一群古怪的鸭子”。

从生活习性来讲，多伊奇与“古怪”尚能匹配。他是牛津大学的一员，却不教书，也没有固定工作，靠着演讲、奖金和出书赚钱。他很少出门，开会多在线上，他的多数亲密同僚几年都见不了他一次。他的住宅死气沉沉，院子里长满了英国常青藤，门口的灌木看起来已时日无多，门上挂着的牌子写道“送货时请使劲敲门”。这让人联想到神秘科学家两耳不闻窗外事在家中苦心钻研的电影开场——随手扬起一页纸，映出门窗上神秘晦涩的物理符号。采访他的记者也证实，他的家里堆满了旧电话薄、纸板箱和成堆的文件。据多伊奇的同事爆料，曾有日本摄制组想去多伊奇的家中采访他，提出要帮他收拾屋子，却惨遭拒绝。于是摄制组承诺，拍摄结束后，会恢复原有的“乱象”。多伊奇将这种混乱归结为他“太忙了”，但他却有时间追剧。他的客厅的墙上贴着美国医疗剧《豪斯医生》（House）的男主角休·劳瑞（Hugh Laurie）的彩照，同墙的还有世界地图、元素周期表、动物分类法、哲学家卡尔·波普尔（Karl Popper）的手绘漫画等，休·劳瑞能出现在其中，是因为《豪斯医生》在多伊奇看来，是一个关于认识论（epistemology）的优秀电视剧，这是他除了物理学最感兴趣的东西。他将电视剧中的豪斯描述为一个“理性主义者”，“万事皆有因，如果他不知道缘由，那是因为他不知道，而不是因为这个缘由不存在。这是对待科学的基本态度”。这也可以视为多伊奇深耕于量子计算领域的原因。

▲多伊奇写了两本面向普通读者的书，分别是《真实世界的脉络》（The Fabric of Reality）和《无穷的开始》（The Beginning of Infinity）。

1985年，他发表的论文《量子理论，丘奇-图灵法则和通用量子计算机》令他名声大噪。在论文中，他重新思考了“计算机科学之父”艾伦·图灵（Alan Turing）提出的丘奇-图灵论题（Church–Turing thesis），认为经典图灵机只是基于经典物理学的构想，并不能完美模拟任何物理意义上可实现的系统。对此，多伊奇提出了基于量子物理学的通用计算机，它的计算能力是图灵机无法比拟的。多伊奇这篇论文的灵感源于1980年代初与美国物理学家查尔斯·贝内特（Charle Bennett）的一次对话，当他们谈到当时的一个新领域——计算复杂性理论（computational-complexity theory），多伊奇困惑于计算复杂性是一种基本属性还是相对属性，而贝内特提出“最基础的计算机是物理学本身”，启发了多伊奇对图灵通用机在量子物理角度的思考。多伊奇在论文中还指出通用量子计算机的若干特性，如量子关联、量子并行性、量子算法优势，很多概念都极大地影响了后来的量子计算领域。在多伊奇提出理论上的量子算法后，物理学家彼得·肖尔（Peter Shor）发明了第一个可用的量子分解算法。而启发了多伊奇的贝内特与他的搭档布拉萨德（Gilles Brassard）提出了BB84协议，打开了量子密码学的大门。他们四人作为本届基础物理学突破奖的得主，凭着从上世纪后期开始的探索，让量子信息科学得到了全球的关注。回想最初研究这一领域，多伊奇获奖后感慨道：“让我感到更高兴的是，没有人觉得量子计算获奖很奇怪，它逐渐进入了主流世界。而在一段时间里，只有少数人知道它的存在！”

▲多伊奇没有固定工作，也不教书，平时靠演讲、奖金和写书赚钱。

1+2=3是计算，生米与水经电饭煲煮熟也是计算，是一种通过输入、运算和输出得到结果的系统，而量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元的新计算模式。执行量子计算的设备被称为量子计算机，一台量子计算机的硬件只有普通笔记本电脑的百万分之一，但它存储的比特（比特是信息量的最小单位）信息与宇宙中的粒子数量差不多，强大的量子信息处理能力令学界振奋。在过去的几年里，投资者向量子计算领域投入了数百万美元，世界各地的团队为硬件制造和计算机应用程序开发而奔波，致力于研究量子计算在密码学、机器学习、计算生物学等领域的实际应用。量子信息科学的突出地位越来越难以被忽视，人们叫嚣着“量子时代的到来”，神乎其神的“量子霸权”有望变革过去的难题。

“牛津流感”曾用于形容英国学者对这一深奥领域的痴迷程度，作为著名“患者”，多伊奇感染了众多科学家，让量子计算成为一场大流行。有人认为，多伊奇对量子计算的研究是因为他希望用科学知识解释多元宇宙。但多伊奇本人可能会否认这一说法。他在著作《真实世界的脉络》（The Fabric of Reality）中写道：“当我还是个小孩，有人告诉我，在古代，人们可以学会所有已知的东西。同时我也被告知，人们现今需要了解的太多了，以至于漫长一生中，只能学到其中一小部分。后者让我感到惊讶和失望。并且，我也拒绝相信这一说法。”从一个信念开始，然后用自己的智识来为这个信念建立支持，这是很多科学家一生的旅程，也是多伊奇的终生工作。

LINK 突破奖

突破奖被誉为“豪华版诺奖”，旨在奖励在生命科学、数学和基础物理学领域有杰出贡献的人士。今年的生命科学突破奖颁给了三组研究团队：DeepMind团队的戴密斯·哈萨比斯（Demis Hassabis）和约翰·霍普（John Jumper），他们开发出了可以准确预测蛋白质结构的AlphaFold；发现了一种新细胞组织机制的克利福德·布兰格温（Clifford P. Brangwynne）和安东尼·海曼（Anthony A. Hyman）；发现嗜睡症病因的伊曼纽尔·米格诺特（Emmanuel Mignot）和柳泽正史。数学突破奖授予了耶鲁大学的科研人员丹尼尔·斯皮尔曼（Daniel A. Spielman），表彰他在理论计算机科学和数学方面的多项发现。

内容来源于《周末画报》

撰文—抱年堇

编辑—金布莱

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