40年前的5月，量子计算诞生了

Posted 2021-06-27 一只热鱼 alialipapaya

量子计算起源于40年前的第一届计算物理学会议，1981年5月6日至8日，该会议由麻省理工学院（MIT）和IBM在MIT的恩迪科特大楼组织，有近50名来自计算和物理的研究人员参加，以往这两个群体很少接触。 时间回到1961年，一位名叫罗尔夫·兰道尔(Rolf Landauer)的IBM研究人员发现了这两个领域之间的一个基本联系：他证明了每一次计算机擦除一点信息，就会产生一点热量，这与系统的熵增相对应。而到了1972年，兰道尔聘请了理论计算机科学家查理·贝内特(Charlie Bennett)，后者证明了熵增可以通过一台以可逆方式执行计算的计算机来避免。 巧合的是，与兰道尔共同发起恩迪科特会议的麻省理工学院教授埃德·弗雷德金(Ed Fredkin)独立得出了同样的结论，尽管他从未获得过本科学位。事实上，大多数对量子计算起源故事的讲述都忽略了弗雷德金的关键作用。

Ed Fredkin（年轻） 

Ed Fredkin 弗雷德金不寻常的职业生涯始于1951年，他进入加州理工学院。

尽管他在入学考试中表现出色，但他的家庭经济拮据，不得不做两份工作来支付学费。他在学校表现不佳，很快钱也用完了，1952年他退学了，并加入了空军，但好在避开了朝鲜战争。 几年后，空军派弗雷德金去MIT林肯实验室，帮助测试新生的SAGE防空系统。他学会了计算机编程，很快就成为了世界上最好的程序员之一，这个群体当时可能只有500人左右。

1958年离开空军后，弗雷德金在BBN公司工作，他建议公司购买了最早的两台电脑，并在这里结识了麻省理工学院的教授马文·明斯基(Marvin Minsky)和约翰·麦卡锡(John McCarthy)，二人共同奠定了人工智能领域的基础。 1962年，他们陪同麦卡锡前往加州理工学院做了一次演讲。就在这里，明斯基和弗雷德金会见了理查德·费曼(Richard Feynman)，他因在量子电动力学方面的工作获得了1965年诺贝尔物理学奖。费曼给他们展示了一个手写的笔记本，上面写满了计算结果，并要求他们开发能够执行符号数学计算的软件。 弗雷德金于1962年离开BBN，创办了世界上最早的人工智能初创公司之一Triple-I。1968年Triple-I上市，弗雷德金成为百万富翁，明斯基聘请他为麻省理工学院人工智能实验室的副主任。

三年后，弗雷德金成为麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的前身MAC项目的主任。他还成为了MIT的一名全职教授，尽管他缺少文凭。 但是弗雷德金很快也厌倦了，所以在1974年他回到加州理工学院和费曼相处了一年。他们达成了协议，弗莱德金教费曼计算，费曼教弗莱德金量子物理。 弗雷德金开始理解量子物理，但他不相信。他认为现实的结构不可能建立在可以用连续测量来描述的东西之上。量子力学认为，像电荷和质量这样的量是由离散的、可数的、不能细分的单位组成的(称为量子化)，但像空间、时间和波动方程这样的东西基本上是连续的。但是弗雷德金坚信空间和时间也必须被量子化，而现实的基本组成部分就是计算。他提出，现实必须是一台电脑！ 1978年，弗雷德金在MIT教授了一门名为“数字物理”的研究生课程，该课程探索了根据这种数字原理改造现代物理的方法。 然而，费曼仍然不相信，除了使用计算机运行算法之外，计算和物理之间还存在着有意义的联系。因此当弗雷德金邀请费曼在1981年的会议上发表主旨演讲时，刚开始他拒绝了。 不过，当弗雷德金答应他可以说任何他想说的话时，费曼改变了主意，并在一次详细的演讲中阐述了他关于如何将两个领域联系起来的想法，该演讲提出了一种利用量子效应本身进行计算的方法。 费曼解释说，计算机在帮助模拟和预测粒子物理实验结果方面的能力很差。 现代计算机是确定性的：给它们同样的问题，它们就会给出同样的解。另一方面，物理学是概率性的。因此，随着模拟中粒子数量的增加，对可能的输出执行必要的计算所需的时间将呈指数增长。费曼断言，前进的道路是建造一台利用量子力学进行概率计算的计算机。 费曼没有为这次会议准备一份正式的论文，但在弗雷德金研究小组的研究生Norm Margolus博士的帮助下，他的演讲被发表在《国际理论物理杂志》上，题目是“用计算机模拟物理”。 费曼的演讲，连同弗雷德金与麻省理工学院研究科学家托马索·托弗利(Tommaso Toffoli)合著的文章《保守逻辑》（Conservative Logic）(部分基于弗雷德金的学生William Silver在75年、80年撰写的一篇“数字物理”学期论文），构成了这个新兴领域的基础。

Richard Feynman

这次会议之后，1983年贝内特和蒙特利尔大学教授吉尔·布拉萨德(Gilles Brassard)发明了量子密码——一种利用量子力学发送信息同时防止窃听的方法。与此同时，费曼继续发展他的想法。

然而，如果不是彼得·肖尔(Peter Shor)博士，量子计算机可能仍然是一个智力玩具，他在1994年提出了一种方法，可以使用费曼设想的但尚未建成的量子计算机和一些聪明的数论来快速分解大数因子。 这引起了政府和企业的兴趣，因为几乎所有现代密码系统的安全性都依赖于这样一个事实:将两个非常大的素数相乘很容易，但将乘积分解回其素数因子却异常困难。有了Shor算法和一台足够强大的量子计算机来运行它，这项任务将变得简单，世界上大多数通过无线电波和互联网传输的机密数据一旦被截获，就可以很容易地解密。 1981年的会议不仅诞生了该领域开创性的论文，还诞生了一张计算和物理领域一些最伟大的思想家的照片。

照片拍摄于恩迪科特大楼下的草坪上，照片中包括费曼和弗雷德金；以及弗里曼·戴森(Freeman Dyson)，20世纪最有才华的物理学家之一；康拉德·楚泽(Konrad Zuse)，德国工程师，1941年制造了世界上第一台完全可编程自动数字计算机；汉斯·莫拉维克(Hans Moravec)，当时他刚刚制造了一个可以通过视觉导航的机器人；丹尼·希利斯(Danny Hillis)，创建了思维机器(Thinking Machines)公司，并聘请费曼作为其第一名员工；还有许多现在家喻户晓的人(至少在计算机科学和物理学领域)。 这让人想起1927年第五届索尔维电子与光子会议上的著名照片，照片中有阿尔伯特·爱因斯坦、尼尔斯·玻尔、泡利、海森堡和其他量子力学新兴领域的领军人物。 鲜为人知的是，查理·贝内特不在这张照片里，因为是他拍了这张照片。

1 Freeman Dyson, 2 Gregory Chaitin, 3 James Crutchfield, 4 Norman Packard, 5 Panos Ligomenides, 6 Jerome Rothstein, 7 Carl Hewitt, 8 Norman Hardy, 9 Edward Fredkin, 10 Tom Toffoli, 11 Rolf Landauer, 12 John Wheeler, 13 Frederick Kantor, 14 David Leinweber, 15 Konrad Zuse, 16 Bernard Zeigler, 17 Carl Adam Petri, 18 Anatol Holt, 19 Roland Vollmar, 20 Hans Bremerman, 21 Donald Greenspan, 22 Markus Buettiker, 23 Otto Floberth, 24 Robert Lewis, 25 Robert Suaya, 26 Stand Kugell, 27 Bill Gosper, 28 Lutz Priese, 29 Madhu Gupta, 30 Paul Benioff, 31 Hans Moravec, 32 Ian Richards, 33 Marian Pour-El, 34 Danny Hillis, 35 Arthur Burks, 36 John Cocke, 37 George Michaels, 38 Richard Feynman, 39 Laurie Lingham, 40 P. S. Thiagarajan, 41 Marin Hassner, 42 Gerald Vichnaic, 43 Leonid Levin, 44 Lev Levitin, 45 Peter Gacs, 46 Dan Greenberger.