人脑：神秘的量子计算机

人脑就是量子计算机

在某种程度上，多数人都会认同一种二元论观点：心智、灵魂或者意识是一种区别于肉体的存在。不过这种二元论在20世纪的科学界却渐渐失宠，大多数神经生物学家都青睐于一元论：他们认为心智与肉体实际上是同一种东西。比如，神经科学家马塞尔·金斯波兰尼（Macel Kinsbourne）认为，“意识是一种具有交互式功能的特殊神经电路”。虽然计算机的逻辑门与神经元的工作方式十分相似，但是即使把计算机进行大规模连接，譬如由数十亿台计算机（虽然与大脑中千亿级别的神经元相比依旧显得微不足道）连接而成的互联网，也无法产生意识。为什么基于硅质的计算机网络只能是行尸走肉而基于血肉的“计算机”网络却能够拥有意识呢？这仅仅是因为我们大脑中数量庞大的神经元在“关联”[68]的复杂度上轻松碾压了互联网吗？还是因为意识本身是一种非常独特的计算方法？

关于意识的解释数不胜数，因此也不乏众多这方面的论著。不过，出于论述的需要，我们只把注意力放在其中一种极度富有争议却又引人入胜的观点上，这种观点与我们的主题十分贴近：意识是一种量子力学现象。这个观点最著名的支持者是牛津大学的数学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）。他在1989年出版的著作《皇帝的新脑》（The Emperor’s New Mind）里提出，人类的大脑就是量子计算机。

你可能还记得第3章里出现过的量子计算机，当时我们回顾了2007年《纽约时报》上一篇声称植物就是量子计算机的文章。麻省理工学院的文献交流会的成员最终认同，微生物和植物的光合作用系统的确能够执行某种量子计算。那么，认同这一观点的那些聪明的大脑会不会也同样在量子力学的范畴里呢？为了回答这个问题，我们首先需要更仔细地看看什么是量子计算机以及它是如何工作的。

|量子位计算|

量子计算机

quantum computer

指一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。

今天当我们提到计算机时，它是指所有可以针对二进制信息执行控制和处理指令的电子设备，二进制信息通过一连串能够“打开”或者“关闭”的电子开关表示——每个开关可以编码二进制位中的1或0（二进制位在计算机里也被称为比特）。大量的电子开关通过布局设计可以作为执行不同逻辑指令的电路，不同的逻辑电路再进行组合就能够用于执行数学运算，比如加法、减法乃至我们上文中提过的神经元兴奋问题。与掰手指、心算以及用纸和笔等手动解决问题的方式相比，数码计算机在计算速度上有不可比拟的优势。

然而即便电子计算机在解决计数问题的速度上表现优异，但是当它面对量子世界数量庞大的多重可能问题时，也束手无策。对于这个难题，诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼提出过一种可能的解决办法：他认为要解决量子世界的计算问题，我们需要一台量子计算机。

要理解量子计算机的工作原理，我们可以打一个比方。首先我们把传统计算机的比特看作一种圆球形的罗盘，罗盘内的指针指向1（罗盘的北极）或者0（罗盘的南极），指针所指方向可以在两极之间通过旋转180°切换（见图7-4a）。计算机的中央处理器（CPU）里包含了数以百万计的这种比特开关，所以计算机的每一个计算过程都可以被看作是处理其中许许多多圆球如何进行180°旋转的翻转规则。

图7-4　传统计算机和量子计算机示意图

量子计算中与经典比特对应的概念叫量子位（qubit）。量子位也可以看成是一个经典的圆球[69]，但是它的旋转不局限于180°。取而代之，它可以在空间里按照任意角度进行旋转，除此之外，在量子力学的范畴里，由于圆球处于量子相干叠加态，它的指针可以同时指向许多方向（见图7-4b）。灵活性上的提升让量子位可以比传统的比特编码更多的信息。不过对计算而言，真正的助力来自量子位之间的组合。(www.xing528.com)

与相邻的两个经典比特之间不会有相互影响不同，量子位之间同样存在量子纠缠。你可能还记得第5章中的量子纠缠，这是一种基于相干性的属性，在量子纠缠中，粒子失去了个体性，每个粒子发生的改变会同时影响处于纠缠态的其他所有粒子。在量子计算中，量子纠缠可以用圆球之间相连的弹性细线[70]来比喻（见图7-4c）。现在让我们想象旋转其中一个圆球。如果没有纠缠态，其中一个圆球的旋转不会影响相邻的量子位。但是事实上，我们旋转的量子位与其他量子位间存在量子纠缠，这些量子位之间相连的细线都会因为其中一个量子位的旋转发生张力变化。作为计算资源的纠缠态细线会随着量子位数目的增加呈指数级增长，指数级增长意味着增长十分迅速。

如果你听过一个皇帝的寓言故事，你就能体会到指数级增长的力量。寓言里说有一位皇帝因为国际象棋的发明，龙颜大悦，许诺给象棋的发明者任何他想要的赏赐。狡猾的发明者请求在棋盘的第1个方格里放上1粒米，在第2个方格里放上2粒米，在第3格放4粒米，以此类推，每一个格子里都放置前一格内两倍数目的米粒，直到最后的第64个格子。这位皇帝觉得这个要求简直微不足道，当即恩准了他的请求，并马上吩咐下人搬来米。但是，没等米粒点出多少，他就发现自己想错了。棋盘第1行的最后一格里只需要放区区128粒米（虽然是8格，但仍是27——别忘记第1格里只有1粒米），即便到第2行结束的时候，最后一格里也只有32 768粒米，还不到1千克。但是这位皇帝在计算接下来的格子时，却惊愕地发现，当第3行结束的时候他不得不交出200多吨的米[71]。而他只有倾尽举国之力，才能拿出第4行需要的米！事实上，棋盘最后一个格子里要放进9 223 372 036 854 775 808（也就是263）粒米，或者说230 584 300 921吨，粗略算起来这几乎是整个人类社会历史上收获过的水稻总和。

那位皇帝犯的错误是，他没有意识到不断对一个数进行翻倍将导致指数级增长——翻倍的另一种说法是，一个数加上与它一样大的数。指数级增长是一种爆炸式增长，那位皇帝已经尝到它的厉害了。米粒数随着棋盘格子的增加而增加，与之类似，量子计算机的运算能力以指数级的方式随着量子位数目的增加而增长。

这和经典的计算机十分不同，传统计算机的计算能力与比特位的数目成线性关系。打个比方，如果你给一台传统的8位计算机增加一个比特位，它的运算能力就会比原来增加1/8；如果想让它的运算能力翻倍，就必须使它拥有的比特位翻倍。但是在量子计算机中仅仅增加一个量子位就可以让运算能力翻倍，这种指数级增长就像寓言里的皇帝眼睁睁看着自己米仓的流失速度越来越快。事实是，如果一台量子计算机能够维持300个量子位的相干性和纠缠态，那么它的计算能力在某些问题的表现上几乎相当于一台整个宇宙那么大的传统计算机！而那300个量子位很可能只需要300个原子的参与。

但是（注意这是一个很重要的“但是”），如果想要这台量子计算机工作，那么它的量子位在执行计算时只能与所有参与计算的其他量子位发生关联（通过看不见的纠缠态细线）。这意味着它们必须完全从所处的环境中被孤立出来。与环境存在关联的问题在于，它会让量子位与外界环境发生纠缠，我们可以把这个过程看成更多细线的建立，新绑定的细线从各个方向牵扯量子位，与量子位之间原有的细线发生竞争，干扰它们执行的计算。这个过程就是所谓的退相干过程（见图7-5）。即使与环境发生极其微弱的相互作用，量子位之间的相干性也会受到严重影响：量子位之间的量子连接被切断、纠缠态丧失，量子位的运动变为传统的比特位。

量子计算机的退相干可以想成是量子位与外界环境建立了新的纠缠态。外界环境与量子位形成的纠缠细线对它们来回牵扯，让量子位不再回应原先的纠缠态联系。

图7-5　量子计算机的退相干

|量子计算机|

量子物理学家尽他们所能来保持纠缠态量子位的相干性，他们使用极其考究以及精细操作的物理体系，把编码的量子位数量控制在一小撮原子内，将整个体系的温度降至几乎绝对零度并用大块的绝缘材料包裹设备，杜绝任何外界环境的可能干扰。依靠这些措施，量子物理学家们已经取得了一些里程碑式的成果。2001年，IBM和斯坦福大学的科学家成功建造出一台可以执行肖尔运算（Shor’s Algorithm）的7-量子位“试管量子计算机”。肖尔运算以数学家彼得·肖尔（Peter Shor）的名字命名，肖尔在1994发明了这种专门用于在量子计算机上运行的智能算法，它编码了一种效率极高的因数分解算法（因数分解是把指定的一个数分解为若干个质数的乘积）。试管量子计算机的问世曾经轰动一时，登上了全世界各个科技版面的头条；不过初来乍到的量子计算机在它的首次运算中表现平平，只成功算出了15的质因数（为了避免你被难住了——15的两个质因数是3和5）。

在过去的十年中，一些顶尖的物理学家、数学家和工程师倾注心血试图构建规模更大、性能更好的量子计算机，但是依旧进展缓慢。2011年，来自中国的科研工作者仅用4个量子位就成功对143（13×11）完成了因数分解，中国团队应用的体系与2001年美国团队使用的相同，都是以原子的自旋状态作为编码的量子位。而加拿大一家叫D-Wave的公司则发明了一种十分不同的编码方式，这家公司以电子在电路中的运动作为编码用的量子位。

2007年，D-Wave发表声明，称它们成功开发了第一款商用16-量子位量子计算机，这款计算机能够解决数独和其他一些模式匹配及最优化问题。2013年，NASA、Google以及美国高校空间研究协会（Universities Space Research Association，简称USRA）合作从D-Wave公司购买了一台512-量子位计算机（价格未公开），简称NASA计划用这台计算机寻找太阳系外行星，系外行星是指那些不围绕太阳而围绕其他遥远恒星公转的行星。不过到目前为止，D-Wave生产的机器都还没有能够超越传统的计算机性能。不仅如此，许多量子计算机专家始终对D-Wave的技术是否真的属于量子计算持怀疑态度——即便是，他们也怀疑D-Wave的设计是否真的可以超越传统的计算机。

不论实验者如何尝试，要把目前极不成熟的这一代量子计算机改进到具有实用价值依旧是一个艰巨的挑战，而其中最大困难在于封闭性。成对的量子位可以让量子计算机的运算能力翻倍，但是也让维持它们量子相干性和纠缠态的难度翻倍。原子的温度需要降到更低，对它们的屏障措施要做得更好。随着原子数目增加，要使原子相干性保持的时间超过万亿分之一秒变得越来越难，退相干的发生快到让计算机连最简单的运算都来不及完成。写作本书时，常温下核自旋相干性维持的最长纪录已经达到了惊人的39分钟，但是这对建造量子计算机的帮助依然有限。但是，我们也发现了活细胞的确可以延迟退相干的发生，虽然不长，但是足以让光合作用复合体中的激子或者酶中的电子和质子有时间完成传递。那么如果大脑需要足够的时间完成量子运算，类似的退相干延迟可能发生在中枢神经系统吗？