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宇宙本身:一万亿外婆、四进制与量子计算

时间:2023-08-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:“1和0组成‘二进制’,DNA将信息编译成4个字母,就可以说成‘四进制’,你的生命体就是一台进行‘四进制’运算的计算机。”[3] 麻省理工学院机械工程与物理学教授塞斯·劳埃德在2006年出版的《宇宙编程》一书中提出,宇宙本身就是一台大型量子计算机,它运行着一个宇宙程序,产生了我们周围所看到的东西,一旦我们完全理解了物理定律,也将能够使用小规模的量子计算来完全理解宇宙。

宇宙本身:一万亿外婆、四进制与量子计算

在看不见的滑轨上,太阳开始向着西方滑动。“下午了。”星星回头对钢笔小姐说。

钢笔小姐笑着说:“看来有人归心似箭。”

“看来我还得抓紧时间,”蘑菇头先生低头抿唇,将两个人引向了一片屋顶的开阔区域,“量子计算机就是利用量子力学原理造出来的计算设备,根据经典力学老虎怎么可能同时钻过两个火圈?但在量子的世界,这就是真实。”

“这种计算机有什么特别的吗?”星星侧头问道。

“应该这么说,它和经典计算机毫无关联,它们的计算规则是截然不同的。平时你在键盘上一阵敲击,屏幕依次出现了一串字符。想想看,现在你最想对谁说一句‘我爱你’?”

“爸爸、妈妈,还有……我最爱的外婆。虽然不知道怎样才能让她收到这个讯息。”星星立刻答道。

“好的,屏幕上已经出现了‘我爱你’的字符,试问,负责运算并展示出结果的计算机内部究竟发生了什么呢?在那块迷宫一般的电路板上,一切是怎样被建构起来的?”蘑菇头先生连珠炮似的发问。

“我觉得都是代码和程序的功劳。爸爸告诉过我的。”

“这么说不能算错,但在这个代码世界的最底层,回到你完成输入的那个瞬息,经典计算机就已经开始识别和理解你的意图了。当你输入‘我爱你’,电路板承担了运算的重任,它是由一些晶体管组成的。当你每次敲击键盘,都有电流通过了这些纤细如发的晶体管,如果识别出是高电压的电流,计算机会自动将信号记录为数字‘1’;如果是低电压的电流,就记录为‘0’。就像有一个看不见的翻译官,不管你输入什么,触发的电信号都会通过1和0组成的数字串来保存。‘我爱你’也是一串1和0。”

星星抬了抬手,遮挡正在向着自己倾泻而来的阳光。在朦朦胧胧的光晕中,她有些难辨方向。

“翻译成1和0后,经典计算机就可以进行一些逻辑的运算了。这一切也发生在你的身体里,DNA会将生物信息全部转译成A、T、C、G这样4类字母,随后再进行编码和处理,将信号发射到身体的各个角落。”

“原来是一样的……”星星喃喃自语道。

蘑菇头先生还在专注地继续:“每一个1或0都可以看成是一个信息,信息就称为‘比特’,晶体管参与翻译和记录经典计算机的每一个比特。就像刚才说的,晶体管识别高电压,记录为‘1’,将低电压记录为‘0’,一个经典的比特不是代表‘1’,就是代表‘0’。经典力学不允许并行的状态,你不可能同时走在两条花间小径上,月亮不可能既是圆的又是缺的,蜜蜂不可能同时采走两朵花的花蜜,被假想关进了毒气箱的猫[1]也不可能既生又死。每一个比特在每一瞬间只能取一种状态。这就是经典计算机执行的‘进制’。”

“什么叫‘二进制’呢?”星星困惑地问。

“1和0组成‘二进制’,DNA将信息编译成4个字母,就可以说成‘四进制’,你的生命体就是一台进行‘四进制’运算的计算机。”蘑菇头先生的世界似乎是由晶体管和机械件排兵布阵而成。这种新奇的说法点亮了星星。(www.xing528.com)

“但是电子、光子这样的小东西可以同时钻过两条缝。”阳光还在灼热地亲吻她的手背。

“说得很对!所以对于一台量子计算机来说,一个被称为‘量子比特’的信息就不再遵循经典力学来运行。”蘑菇头先生将晾衣杆当成了手杖,时不时地在半空挥舞,显得我行我素,“每一瞬间,每个量子比特可以同时表示1和0,想想一颗电子是如何同时穿过了左缝和右缝!最后,只有到了观测的时候,才能让它坍缩到其中一种状态,变成确定1或0。”

“我们又回到那个实验了,它好像是万能的呢!”

“经典总是不怕重复。听着,接下来要说的事很重要,在观测之前,量子比特就像那颗向着荧屏进发的光子,可以于同一时刻穿过所有狭缝那样,它所表示的每一种状态都在并行计算。”蘑菇头先生加快的语气中,兴奋的情绪一览无余,“这让量子计算机的计算能力变得无比强大。”

钢笔小姐插话道:“同一时间,1个经典比特只能表示1或0两个数中的一个,4个经典比特可以表示4个数,但是1个量子比特能同时表示2个数,4个量子比特就能同时表示16个数。N个量子比特能同时表示2的N次方个数。”

“原来小家伙有你这样聪明的旅伴,难怪呢!”“手杖”挥向天空,迅速向着屋脊垂落,“根据现在天文学家的测算[2],我们整个可观测的浩瀚宇宙中,原子的总量大概一共有10的80次方个,换算下来大概是2的266次方那么多。所以,我们只需要266个量子比特,就能完全表示宇宙所有的原子。甚至还有人相信,宇宙本身就是一台庞大的量子计算机。[3]

“量子计算机很厉害,但又是怎么证明运算是在平行宇宙中完成的呢?”星星还在记挂最初的问题。此时她迫切想知道,那个夜晚过后,究竟有多少个外婆,分别生活在哪里;她们真的存在吗?还能与自己相见吗?

“你得有点耐心。一台完美的量子计算机自会证明这一点。”

“那么怎样才能说是完美的呢?”钢笔小姐也歪着头问。

“这么多年来,我们早已有了完美的图纸,一直在改进的是制造的工艺。马上就要到终点了。”蘑菇头先生旋转“手杖”,施加某种魔法似的,再次向着太阳挥去。

[1] 埃尔温·薛定谔于1935年提出的思想实验。实验中,他假想把一只猫、一个装有氰化氢气体的玻璃烧瓶和放射性物质放进封闭的盒子里,当盒子内的监控器侦测到衰变粒子时,就会打破烧瓶,杀死这只猫。根据量子力学的解释,实验进行了一段时间后,猫会处于又活又死的叠加态,但当实验者观察盒子内部时,他会观察到一只活猫或者一只死猫,猫坍缩成两种可能状态中的一个。薛定谔借此提出一个尖锐的问题:叠加态究竟是何时发生了坍缩?继而对量子学说在宏观世界的完备性发出了挑战。

[2] 该测算是以太阳为基准,先估算了可观测宇宙中恒星总数的质量,并通过假定所有构成恒星的原子都是氢原子来实现的。事实上,氢原子大约占到了所有原子的74%,而这些质量仅包括了星际物质和星系际介质在内的普通物质的质量,不包括暗物质和暗能量。

[3] 麻省理工学院机械工程物理学教授塞斯·劳埃德(Seth Lloyd, 1960— )在2006年出版的《宇宙编程》一书中提出,宇宙本身就是一台大型量子计算机,它运行着一个宇宙程序,产生了我们周围所看到的东西,一旦我们完全理解了物理定律,也将能够使用小规模的量子计算来完全理解宇宙。

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