宇宙学家斯蒂芬·霍金说过，物理学家是唯一能够说出“上帝”这个词而不会脸红的科学家。然而，倘若你真的想看到物理学家脸红也不是什么难事，因为你可以问他们一些深刻的哲学问题，毕竟这些问题本来就没有什么确切答案。

以下是一份简短的问题清单，这些问题困扰着大多数物理学家，因为它们处于哲学和物理学的交界处。所有这些问题其实都影响着量子计算机的存在，我们将依次进行讨论。

1.上帝在创造宇宙时有选择吗？

爱因斯坦认为这是一个人可能提出的最深刻、最有启发性的问题之一。上帝会以其他方式创造宇宙吗？

2.宇宙是模拟的吗？

我们只是生活在电子游戏中的机器人吗？我们所看到的和做的一切都是计算机模拟的副产品吗？

3.量子计算机在平行宇宙中计算吗？

我们能否通过引入多元宇宙来解决量子计算机的测量问题？

4.宇宙是量子计算机吗？

我们周围看到的一切，从亚原子粒子到星系团，是否能够证明宇宙本身就是一台量子计算机呢？

爱因斯坦一生中的大部分时间在问自己：宇宙定律究竟是独一无二的，还是只是几种可能性中的一种。当我们第一次接触到量子计算机的时候，它们的内部工作原理看上去疯狂又怪异。很多东西都令人难以置信，在基本层面上，电子表现出许多我们原有认知中根本无法 想象的行为，比如同时出现在两个地方，穿过坚固的屏障，以比光更快的速度传输信息，以及即时分析出任意两点之间的无限多条路径。所以，我们当然会问问自己，宇宙非得这么奇怪吗？我们如果可以选择的话，难道就不能重新安排物理定律，使其看上去更合乎逻辑、更合乎情理吗？

每次当爱因斯坦陷入这种思考困境的时候，他都会说：“上帝是微妙的，但不是恶意的。”而当他不得不直面量子力学悖论的时候，爱因斯坦恐怕有时候也会认为：“好吧，上帝毕竟还是有恶意的！”

纵观历史，物理学家一直都在思考，是否有另一个遵循另一套基本定律的宇宙，以此来观察我们所在的宇宙遵循的自然定律是不是独一无二的，并思考是否有可能从头开始创造一个更好的宇宙。

就连哲学家也在致力于探讨宇宙的问题。智者阿方索说过：“如果创世时我在场，我一定会为宇宙的更好秩序提供一些有用的提示。”

苏格兰法官和评论家杰弗里勋爵会抱怨我们宇宙中的那些不完美之处。他会说：“该死的太阳系。糟糕的光线，太远的行星，还纠缠着彗星；真是一个不怎么样的发明；我自己可以创造一个更好的（宇宙）。

然而，科学家无论多么努力，都无法改进量子物理定律。通常，物理学家发现量子力学的替代方案产生的宇宙要么并不稳定，要么存在某些隐藏的致命缺陷。

为了回答这个让爱因斯坦都着迷的哲学问题，物理学家通常首先会列出我们所期待的宇宙所具备的品质。

首先，也是最重要的，我们希望宇宙是稳定的。我们不希望它在我们手中分崩离析，最后一无所有。

令人惊讶的是，这一标准却极难实现。最简单的出发点可能是假设我们生活在一个常识性的牛顿世界中。这就是我们熟悉的世界。假设这个世界是由微小的原子组成的，这些原子就像微型太阳系，电子围绕原子核运行，遵循牛顿定律。如果电子以完美的圆形轨道运动，那么太阳系将是稳定的。

但如果你对其中一个电子稍加干扰，它可能会开始摆动，并呈现出不完美的轨迹。这意味着这些电子最终会相互碰撞或落入原子核。原子很快就会坍缩，电子也会到处乱飞。换句话说，牛顿的原子模型本质上就是不稳定的。

我们还可以想想分子会发生什么。在一个只受经典力学支配的世界里，围绕两个原子核的轨道是高度不稳定的，一旦受到扰动，就会迅速解体。因此，分子也不可能存在于牛顿世界，否则就不会有复杂化学物质形成了。而如果是一个没有稳定原子和分子的宇宙，那么最终注定要变成一团由随机亚原子粒子组成的无定形的雾了。

然而，量子理论解决了这一问题，因为电子是用波描述的，而只有这种波的离散共振才能围绕原子核振荡。在薛定谔方程中，这些电子碰撞和四处飞散的波是不允许的，因此原子是稳定的。在量子世界中，分子也是稳定的，因为当两个不同的原子共享电子波时，它们就形成了稳定的共振，从而将两个原子结合在一起。这就是分子之间的黏合剂。

因此，从某种意义上说，量子力学及其奇异特征是有“目的”或“原因”的。量子世界为何如此奇异？显然是为了让物质变得稳定和坚固。否则，我们的宇宙就会解体。

这反过来又对量子计算机产生了重要影响。如果人们试图修改作为量子计算机基础的薛定谔方程，我们预计，修改后的量子计算机将产生不合常理的结果，比如不稳定的问题。因此，换句话说，量子计算机创造稳定宇宙的唯一途径就是从薛定谔方程开始。一台量子计算机是独一无二的。也许有很多方法可以将物质组装起来，来创建量子计算机（例如，使用不同类型的原子），但只有一种方法可以让量子计算机在进行计算的同时还能描述稳定的物质。

因此，如果我们想要一台能够操纵电子、光和原子的量子计算机，那么我们很可能就只能使用一种独特的量子计算机架构。

看过电影《黑客帝国》的人都知道，尼奥是天选之子。他有超能力，能飞上天，可以躲避高速的子弹，也可以让子弹停在空中。他只需按下一个按钮，就能立即学会空手道。他还可以穿过镜子。

而正是因为尼奥实际上生活在一个虚构的、由计算机生成的模拟世界之中，所以所有这一切才有可能。就像生活在一个电子游戏中一样，角色所处的“现实”其实只是一个幻想世界。

这引发了一个问题：随着计算机能力的指数级增长，我们会不会发现，人类世界实际上也是一个模拟世界，而我们所处的“现实”其实只是别人在玩的一个电子游戏呢？人类只是一行行代码，直到有人最终点击了删除按钮，这个人的人生闹剧也就此结束？如果数字计算机的功能不足以模拟现实，那么量子计算机能做到这一点吗？

让我们先问一个简单的问题：如上描述的经典宇宙可以用牛顿模拟实现吗？

假设我们现在有一个空玻璃瓶。瓶子里的空气可能含有超过 1023个原子。要用经典计算机精确建模，你需要处理 1023 位信息，这远远超出了经典计算机的能力。要想对玻璃瓶子里的原子进行完美模拟，你还必须知道所有这些原子的位置和速度。就像如果现在准备模拟地球上的天气，就必须知道地球周围空气的湿度、气压、温度和风速，所以，很快我们就会耗尽任何已知经典计算机的内存容量。

换句话说，真正能够模拟天气的最小物体就是天气本身。

看待这个问题的另一种方法，就是思考所谓的蝴蝶效应。如果蝴蝶扇动翅膀，它可能会产生一股气流，如果条件合适，这股气流最终可能会形成强风。这反过来可能最终达到云层的临界点，引发暴雨。这是混沌理论的结果，该理论认为，尽管空气分子可能遵循牛顿定律，但数万亿个空气分子的综合效应是混沌且不可预测的。因此，想要预测暴雨形成的精确概率，几乎是不可能做到的。尽管单个分子的路径可能是确定的，但要想确定数万亿个空气分子的集体运动，是任何数字计算机都无法实现的，模拟也是不可能的。

但是，量子计算机呢？

如果我们试图用量子计算机模拟天气，那么情况恐怕会更糟糕。假设我们有一台有 300 个量子位的量子计算机，那么我们在量子计算机中就有了 2300 个状态，比宇宙的状态还要复杂。我们可能要问，量子计算机有足够的内存来编码我们所知道的所有可能“现实”吗？

不一定。想象一个复杂的蛋白质分子，它可能有数千个原子。要想在没有任何近似的情况下模拟一个蛋白质分子，我们就必须拥有比宇宙中状态更多的量子计算机。我们的身体可能有几十亿个这样的蛋白质分子，因此为了真正模拟我们体内发现的所有蛋白质分子，原则上我们需要数十亿台量子计算机。这再一次说明，能够模拟宇宙的最小物体就是宇宙本身。组装数十亿台量子计算机来模拟复杂的量子现象显然是不切实际的。

唯一可能真正被模拟出来的“现实”并不完美，而且与真正的“现实”相比存在许多差距和缺陷。但也只有这样才能减少必须模拟的状态数量。如果不追求完美的模拟，那么还是可能达成的。例如，模拟出来的可能是并不完整的区域。你可能会看到模拟现实中的“天空”有裂痕和破损，就像古老的电影场景；或者，如果你是一名深海潜水员，你可能一直认为你的世界是整个海洋，直到你撞上了一堵玻璃墙，你就会意识到，原来你所处的世界只是海洋的一部分模拟。因此，一个有类似这样缺陷的不完美的宇宙，我们肯定是能够模拟出来的。

过去，好莱坞电影和漫画可以通过将角色带入外太空来创造令人兴奋的想象世界。但近 50 多年来，由于我们不断向外层空间发射火箭，这个想法本身就有点过时了。因此，科幻小说作家需要一个全新的、前沿的游乐场来实现所谓的奇幻情节，时下最火的游乐场就是多元宇宙。近年的许多电影大片都以平行宇宙为背景，超级英雄或反派总是存在于多重现实中。

过去，每当看科幻电影时，我都要数一数到底有多少条物理定律被违反了。而当我又想起亚瑟·C.克拉克的话，我也就不再这么较真了：“任何足够先进的技术都与魔法并无二致。”因此，如果一部电影明显违反了一些已知的物理定律，那么没准有一天这个物理定律就真的被证明是不正确或不完整的了。

但现在，随着电影进入平行宇宙的多元宇宙，我又不得不重新思考，看看是否有任何物理定律被违反了。实际上，电影人一直在追随理论物理学家的脚步，他们认真对待着多元宇宙的概念。

个中原因便是休·埃弗里特的多世界理论正在卷土重来。如前所述，埃弗里特的多世界理论可能是解决测量问题的最简单、最有效的方法。通过简单地放弃量子力学的最后一个假设，即描述量子行为的波函数在观测时坍缩，多世界理论是解决这一悖论的最快方法。

但让电子波扩散是要付出代价的。如果薛定谔波被允许在不坍缩的情况下自行自由移动，那么分裂将会发生无限多次，从而创造出一个可能宇宙的无限级联。因此，与其坍缩为一个宇宙，我们不如让无限多个宇宙不断平行分裂。

对于这些平行宇宙，物理学家之间并没有达成普遍的共识。例如，大卫·多伊奇认为这是量子计算机如此强大的根本原因，因为它们能够在不同的平行宇宙中同时进行计算。这让我们回到了薛定谔的古老悖论，即盒子里的猫可以同时死了和活着。

当被问及这个令人沮丧的问题时，斯蒂芬·霍金会说：“每当我听到薛定谔猫的叫声时，我都会伸手去拿我的枪。”但还有一种替代理论也在考虑中，那就是退相干理论，该理论认为，与外部环境的相互作用会导致波坍缩，即波一旦接触到环境，就会自行坍缩，因为环境已经退相干了。

例如，这意味着薛定谔悖论可以简单地解决。最初的问题是，在你打开盒子之前，你无法判断猫是死是活。传统的答案是，在你打开盒子之前，猫既不死也不活。而这一新理论则认为，猫的原子已经与飘浮在盒子里的随机原子接触了，猫甚至在你打开盒子之前就已经选择了。所以，这只猫或者已经死了，或者还活着（却不是同时以两种状态存在）。

换句话说，根据传统的哥本哈根诠释，只有当你打开盒子并测量时，猫才会发生退相干。然而，在退相干方法中，猫已经退相干了，因为空气分子接触了猫的波，导致它坍缩了。在退相干方法中，盒子里的空气取代了准备打开盒子的实验者，成为导致波坍缩的原因。

物理学最终不是建立在推测和猜想的基础上的，物理学中的争论通常是通过做实验来解决的。确凿的证据才是决定性因素。于是我想，几十年后，物理学家肯定还是要对这个问题进行反复辩论，因为到目前为止，还没有什么决定性的实验可以真正排除其中某一种解释，至少目前还没有。

然而，我个人认为退相干方法是存在缺陷的。这种方法必须区分环境，即空气（是退相干）和被研究的物体（猫）。在哥本哈根诠释中，退相干性是由实验者引入的；在退相干方法中，它是由与环境的相互作用引入的。

然而，一旦引入量子引力理论，量子化的最小单位就是宇宙本身。实验者、环境和猫之间就没有区别了。它们都是一个巨大的波函数——宇宙波函数的一部分，并不能分成不同的部分。

在这种量子引力方法中，相干波和空气中的退相干波之间没有真正的区别。区别只是程度上的不同。（例如，在宇宙大爆炸时，整个宇宙在爆炸前是相干的。因此，即使在 138 亿年后的今天，我们仍然可以在猫和空气之间找到一些相干性。）

因此，这种方法消除了退相干，重新回到了埃弗里特的解释。不幸的是，也没有任何实验可以真正区分这些不同的方法。这两种方法都给出了相同的量子力学结果，只是它们对结果的解释不同。所以这看上去只是哲学层面的区别。

这意味着，我们无论使用哥本哈根诠释、退相干方法还是多世界理论，都会得到相同的实验结果，因此这三种方法在实验上是等效的。这三种方法之间的一个可能区别是，在多世界的解释中，我们可能在不同的平行宇宙之间移动。但是，如果选择通过计算的方法，那么只能说我们能计算出来的概率非常小，无法通过实验进行验证。毕竟，人类只能通过等待比宇宙寿命更长的时间，才有可能进入另一个平行宇宙。

现在让我们分析一下宇宙本身是不是一台量子计算机。我们记得巴比奇问过自己一个明确的问题：你能制造出一台多强大的模拟计算机？用机械齿轮和杠杆计算的极限是什么？图灵通过问自己另一个问题来延伸这个问题：你能制造出多强大的数字计算机？电子元件的计算极限是什么？

因此，接下来很自然地会问：你能制造出多强大的量子计算机？如果我们能操纵单个原子，那么量子计算的极限是什么？既然宇宙是由原子组成的，也就自然要问：宇宙本身就是一台量子计算机吗？

提出这个想法的物理学家是麻省理工学院的赛斯·劳埃德。他是在量子计算机诞生之初就一直从事这方面研究的少数物理学家之一。

我问劳埃德他是如何与量子计算机结缘的。他告诉我，他年轻的时候，对数字十分着迷。他特别感兴趣的是，只需要几个数字，就可以用数学规则描述现实世界中的大量物体。

然而，他在攻读研究生时，却遇到了一个问题。一方面，有一些聪明的物理学学生在学习弦理论和基本粒子物理学。另一方面，也有学生在学习计算机科学。他被夹在中间，因为他想研究量子信息，而量子信息是介于粒子物理学和计算机科学之间的。

在基本粒子物理学中，物质的终极单位是粒子，比如电子。在信息论中，信息的最终单位是比特。因此，他一直关注粒子和比特之间的关系，这将我们引向了量子位。

他提出的有争议的观点正是：宇宙就是一台量子计算机。起初，这听起来可能有些古怪。毕竟每次提到宇宙的时候，我们想到的都是恒星、星系、行星、动物、人和 DNA 之类的。而提起量子计算机的时候，我们想到的都是机器。所以它们怎么可能是一样的呢？

事实上，两者之间有着深刻的关联。创造一个图灵机是可能的，它可以包含宇宙之中所有的牛顿定律。

例如，想象一下位于微型火车轨道上的玩具火车。轨道被分成一长串方格序列，我们可以在其中放置数字 0 或 1。0 表示该轨道上没有火车，1 表示玩具火车在该轨道上。现在让我们一个格子接一个格子地移动火车。每次我们把火车移动一个格子，就用 1 代替 0。这样，火车就可以沿着轨道平稳地行驶。数字 1 表示玩具火车的位置。

现在，让我们用带有 0 和 1 的数字带代替轨道，用处理器代替玩具火车。每次处理器移动一个方格，我们就用 1 替换 0。通过这种方式，我们可以把乘坐玩具火车转换为图灵机。换句话说，图灵机可以模拟牛顿运动定律，这是建立在经典物理学的基础上的。

我们也可以改造玩具火车，来描述加速度和更复杂的运动。每次移动玩具火车时，我们都可以增加 1 之间的间隔，这样火车就会加速。我们还可以将玩具火车沿着3D轨道或网格行驶。通过这种方式，就可以对牛顿力学的所有定律进行编码。

现在我们可以精确地将图灵机和牛顿定律联系起来。一个经典的宇宙可以由图灵机编码。

接下来，我们可以将其推广到量子计算机。我们用带指南针的玩具火车代替了包含 0 和 1 的玩具火车。它的指针可以指向北方，我们称之为 1 ；也可以指向南方，我们称其为 0 ；或者指向两者之间的任何角度，代表北方和南方的叠加。因此，根据薛定谔波动方程，当玩具火车沿着轨道行驶时，指针会朝着不同的方向移动。

当玩具火车移动时，指南针的指针开始转动。指针的运动追踪出薛定谔波动方程中包含的信息。这样，我们就可以用这个玩具火车推导出波动方程。（如果想加入纠缠，那么可以在玩具火车上添加几个指南针。当火车沿着轨道行驶时，所有这些指南针都可以根据处理器的规则以不同的方式转动。）

这里的重点是，量子图灵机可以对量子力学定律进行编码，而量子力学定律反过来又统治着宇宙。从这个意义上说，量子计算机可以对宇宙进行编码。因此，量子计算机和宇宙之间的关系是，前者可以编码后者。因此，严格地说，宇宙可以不是一台量子计算机，但宇宙中的所有现象都可以被量子计算机编码。

而由于微观层面的所有相互作用都是由量子力学控制的，也就意味着量子计算机可以模拟物理世界的任何现象，从亚原子粒子、DNA、黑洞到大爆炸。

所以量子计算机的游乐场就是宇宙本身。因此，如果人类能够真正理解量子图灵机，那么也许人类就能真正理解宇宙了。

唯有时间能告诉我们答案。

作者简介：加来道雄，世界知名物理学家，科学畅销书作者，超弦理论创始人之一，纽约城市大学研究生中心理论物理学教授。他拥有哈佛大学学士学位和加州大学伯克利分校物理学博士学位。他撰写了多部广受赞誉的科学著作，著有5本《纽约时报》畅销书：《不可思议的物理》、《人类的未来》、《物理学的未来》、《心灵的未来》、《宇宙方程》。

译者简介：苏京春，财政部中国财政科学研究院副研究员、硕士生导师，中国新供给经济学50人论坛秘书长。译有《经济奇点》、《通往衰败之路》等。

本文节选自《量子霸权》
作者: [日] 加来道雄
出版社: 中信出版集团
副标题: 量子计算机革命如何改变世界
原作名: Quantum Supremacy
译者: 苏京春
出版年: 2024-6-12