读量子霸权04量子计算机的黎明

1. 晶体管的诞生

1.1. 1956年，三位物理学家因发明了这种神奇的装置而获得诺贝尔奖：贝尔实验室的科学家约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利

• 1.1.1. 巴丁、布拉顿和肖克利使用了一种新的量子形式的物质，即半导体

• 1.1.2. 金属是允许电子自由流动的导体

• 1.1.3. 玻璃、塑料或橡胶等绝缘体是不导电的

• 1.1.4. 半导体介于两者之间，既可以携带电子，也可以阻止电子流动

  • 1.1.4.1. 晶体管利用了这一关键特性。它是图灵等人巧妙使用的旧真空管的继任者

  • 1.1.4.2. 真空管性能的不稳定性几乎众所周知

  • 1.1.4.3. 由薄硅片制成的晶体管更加坚固、造价更便宜且尺寸更小

• 1.1.5. 世界上第一个晶体管的复制品目前仍在华盛顿史密森尼博物馆的玻璃箱中展出

1.2. 晶体管这项发明本身就是一个悖论

• 1.2.1. 通常情况下，一项发明的体积越大，威力似乎也就越大

  • 1.2.1.1. 大型强子对撞机是一项近17英里长、耗资超过100亿美元的巨型发明，有朝一日可能会揭开宇宙大爆炸的奥秘

• 1.2.2. 晶体管也许可以说是人类在整个20世纪最重要的发明，体积却非常小，以至于你的一个指甲盖就能容纳数十亿个晶体管

1.3. 并非所有东西都是越大越好

• 1.3.1. 已知宇宙中最复杂的物体——大脑

  • 1.3.1.1. 人类大脑由1000亿个神经元组成，每个神经元又与大约10000个其他神经元相连，所以它的复杂性已然超过了科学界已知的任何东西

  • 1.3.1.2. 大脑则不同，大脑是一个具有学习能力的机器或者说是一个神经网络，能够通过不断学习新事物，不断实现自我调整

1.4. 晶体管存储这些信息的方式自带逻辑，类似于图灵机，从而赋予了这些小巧体积的物体以超强计算能力

• 1.4.1. 晶体管存储这些信息的方式自带逻辑，类似于图灵机，从而赋予了这些小巧体积的物体以超强计算能力

• 1.4.2. 图灵机的设计在原则上可以无限输入数字带

1.5. 硅片事先已经过特殊的化学处理，因此当我们使用酸之后，酸溶液会在晶片上灼烧出我们想要的图形

• 1.5.1. 硅片事先已经过特殊的化学处理，因此当我们使用酸之后，酸溶液会在晶片上灼烧出我们想要的图形

• 1.5.2. 计算机中使用的一个微缩芯片可以容纳数十亿个晶体管

• 1.5.3. 在一个特定街区内，你能把道路的密度压得多紧还是有上限的

• 1.5.4. 如果硅层被压得过薄，晶体管就会直接短路

  • 1.5.4.1. 随着硅片组件的宽度被压缩到接近原子大小，海森伯不确定性原理就开始发挥作用了，电子的位置变得不再确定，从而导致电子逸出以及电路短路

1.6. 所有时代都将成为历史，包括硅时代

2. 理查德·费曼

2.1. 曾在1965年获得诺贝尔物理学奖

• 2.1.1. 可能也是那一时代最伟大的物理学家之一，为电子与光子相互作用的复杂的相对论理论奠定了坚实基础

• 2.1.2. 每个物理学家的目标都应该是“尽快证明自己在这条路径上是错误的”​。

  • 2.1.2.1. 就是放下你的骄傲，承认你所选的路径可能就是一条死胡同，尽快证明这一点，然后重新选择一条有可能是正确的路径

2.2. 费曼创建的理论被称为量子电动力学(QED)，能够精确到100亿分之一

• 2.2.1. 在所有已经进行的各种量子测量尝试之中，这个理论才是最成功的

2.3. 在未来，晶体管会越变越小，最终变成只有原子大小

• 2.3.1. 在原子领域，新的奇妙发明将成为可能

  • 2.3.1.1. 医学将直接在体内进行，而不再从体外进行

  • 2.3.1.2. 手术是从内部进行的，所以就不必切开皮肤，也无须担心疼痛和感染

• 2.3.2. 一直以来我们在宏观尺度上惯例使用的物理定律，在原子尺度上将不起作用，所以我们必须向全新的可能性敞开心扉

2.4. 一直以来我们在宏观尺度上惯例使用的物理定律，在原子尺度上将不起作用，所以我们必须向全新的可能性敞开心扉

• 2.4.1. 经典计算机要一比一地模拟重建一个哪怕非常简单的分子，比如咖啡因，至少需要10^48位信息

  • 2.4.1.1. 这个巨大的数字是组成地球的原子数量的10%

  • 2.4.1.2. 经典计算机甚至无法成功模拟出哪怕一个简单分子

2.5. 一台由300个原子组成的量子计算机，其功率将达到仅有一个量子位的量子计算机的2^300倍

2.6. 费曼的路径积分理论

• 2.6.1. 不管是出于什么原因，球总是能够事先“发现”可以选择的所有可能路径，哪怕是相当疯狂的那些路径，最后“决定”走那条作用量最小的路径

• 2.6.2. 可以在不使用复杂微分方程的情况下，总结出牛顿物理学的全部——所要做的就是找到一条作用量最小的路径

  • 2.6.2.1. "最小作用量原理”同样适用于经典牛顿物理学

• 2.6.3. 在量子计算机中，这种解决问题的思路将会产生超强的计算能力

  • 2.6.3.1. 在某种意义上，迷宫中的量子老鼠却可以同时分析所有可能的路径

  • 2.6.3.2. 这就是量子计算机比普通经典计算机的计算能力强数倍的原因之一

• 2.6.4. 费曼根据“最小作用量原理”改写了量子理论

  • 2.6.4.1. 亚原子粒子能够“发现”所有可能的路径

  • 2.6.4.2. 在每条路径上，他都加上一个与作用量和普朗克常数有关的因子，然后总结或者综合所有可能路径

    2.6.4.2.1. 这种方法现在被称为“路径积分”​，因为我们要将目标对象可能采用的所有路径相加

• 2.6.5. 在薛定谔魔术般地为量子物理学引入波动方程的几十年后，费曼利用自己发明的路径积分方法统一解释了整个量子力学，其中也包括薛定谔方程

  • 2.6.5.1. 所有的量子理论都可以使用费曼路径积分来重新表述，通过对所有可能路径的作用量进行求和，无论这些路径看上去有多疯狂

• 2.6.6. 量子场论

  • 2.6.6.1. 研究高能亚原子粒子的量子理论

  • 2.6.6.2. 在某种意义上，费曼的路径积分方法已经成功适用于所有量子场论

• 2.6.7. 光合作用

  • 2.6.7.1. 光合作用违反了牛顿定律

  • 2.6.7.2. 在经典物理学中，室温下有太多干扰和原子的碰撞，以至于在这些条件下许多化学过程都不可能发生

  • 2.6.7.3. 光合作用以及生命本身，都可以是费曼路径积分方法的副产品

3. 石墨烯

3.1. 石墨烯是由两位在英国曼彻斯特工作的俄罗斯科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现的，他们注意到用苏格兰胶带可以剥离出一层薄薄的石墨

• 3.1.1. 通过反复进行这种剥离，他们最终发现可以实现成功剥离出只有一个原子那么薄的单层碳

3.2. 石墨烯是科学界已知的最坚固的物质之一，比钻石还要坚固

• 3.2.1. 石墨烯是由厚度仅为一个原子的碳片组成的，非常薄

• 3.2.2. 单层石墨烯非常坚固，以至于如果你在铅笔末端放一头大象，再把铅笔放在一层石墨烯上，它都不会出现任何断裂

• 3.2.3. 坚固到可以用它来建造一座薄到肉眼看不见的摩天大楼或桥梁

3.3. 石墨烯还可以导电，甚至可以制成世界上最小的晶体管

4. 量子图灵机

4.1. 1981年，费曼强调，只有量子计算机才能真正模拟量子过程

• 4.1.1. 多伊奇则完成了解决这个问题的所有细节，他甚至设计了一种算法，可以在这种假想的量子图灵机上运行

• 4.1.2. 多伊奇也使量子计算机的基础变得更为严谨

  • 4.1.2.1. 通过从本质上分离量子位的操作，他帮助实现了量子计算机工作的标准化

4.2. 图灵机是一种基于处理器的简单经典设备，它可以将无限长数字带上的数字转换为另一个数字，从而执行一系列数学运算

• 4.2.1. 图灵机的美妙之处在于，它以简单紧凑的形式总结了数字计算机的所有特性，让数学家可以通过它完成各种严格的研究

• 4.2.2. 将量子理论添加到图灵的发明之中，这将使科学家能够以严谨的方式研究量子计算机的奇异特性

• 4.2.3. 图灵机的基本操作大致保持不变

  • 4.2.3.1. 量子图灵机中的所有量子位都是纠缠的，一个量子位发生的事情可能将影响远处的其他量子位

4.3. 电子在平行宇宙中同时计算

• 4.3.1. 它们通过纠缠相互作用并相互干扰

• 4.3.2. 它们可以快速超越只在一个宇宙中计算的传统计算机

5. 平行宇宙

5.1. 在量子力学中，我们从一个描述电子如何同时处于多种平行状态的波开始

• 5.1.1. 最后，观测者从外部进行测量，并使波函数坍缩

5.2. 在进行观测之前，电子可能处于几个模糊状态的混合状态

• 5.2.1. 当我们对电子的状态进行观测时，波函数就会神奇地坍缩为一种确定的物理状态

• 5.2.2. 这也是能够从量子计算机中提取数字答案的方法

5.3. 让波坍缩的过程看起来是如此陌生、做作和过度人为干预，但这是让人类从量子世界过渡到宏观世界的关键和必由之路

• 5.3.1. 坍缩确实是连接微观世界和宏观世界的桥梁，但它也是一座有着巨大哲学漏洞的桥梁

• 5.3.2. 通过坍缩波函数来决定系统究竟处于什么状态

5.4. 埃弗里特的理论

• 5.4.1. 只要去掉最后一条，即波“坍缩”​，那么它根本就不会坍缩

• 5.4.2. 每一种可能的解决方案都继续存在于其自身的现实之中

  • 5.4.2.1. “多世界”​

• 5.4.3. 你永远不必担心海浪坍缩，因为它们从来不会坍缩

  • 5.4.3.1. 这个公式比标准的哥本哈根诠释更加简洁

  • 5.4.3.2. 它更为清晰、优雅，而且非常简单

5.5. 多元宇宙的每一个分支看起来都是真实的，它们代表了所有可能的量子态

5.6. 微观世界和宏观世界遵循相同的方程式，因为不再有坍缩，也不再有“墙”将微观世界与宏观世界隔开

5.7. 多世界理论则认为，总是至少存在一个平行宇宙，里面有一个你自己的副本，过着完全不同的生活

• 5.7.1. 在每个宇宙中，你都坚持认为只有自己所在的那个宇宙才是真实的，而其他的宇宙都是虚假的

• 5.7.2. 多世界理论不仅影响你的生活，也会影响整个世界

• 5.7.3. 一个量子事件完全有可能会分裂出两个宇宙

5.8. 将量子理论应用于整个宇宙，那么这意味着宇宙和电子一样，必须以许多平行状态存在

• 5.8.1. 量子力学的出发点是电子可以同时处于两种状态

• 5.8.2. 当我们将量子力学应用于整个宇宙时，这意味着宇宙也必须以平行状态存在，即在平行宇宙中量子力学才能成立

  • 5.8.2.1. 平行宇宙是必备条件

5.9. 进入平行宇宙是可能的，但当你计算这种情况发生的概率时，你会发现你必须等待一个长达天文数字的时间才能发生

5.10. 单个光子只能通过一个狭缝，但它仍然可以产生干涉图样，因为光子可以与在平行宇宙中移动的对应光子相互作用

6. 量子理论综述

6.1. 叠加

• 6.1.1. 在观察一个对象之前，它存在于许多可能的状态中

• 6.1.2. 一个电子可以同时在两个地方

  • 6.1.2.1. 这大大增加了计算机的功能，因为你有更多的状态可以计算

6.2. 纠缠

• 6.2.1. 当两个粒子是相干的并且你将它们分开时，它们仍然可以相互影响

• 6.2.2. 随着可以相互作用的量子位越来越多，量子计算机的能力呈指数级增长，远远快于普通计算机

6.3. 路径求和

• 6.3.1. 当粒子在两个点之间移动时，它会对连接这两个点的所有可能路径求和

• 6.3.2. 最有可能的路径是经典的非量子路径，但所有这些其他路径也会对粒子的最终量子路径产生影响

6.4. 隧穿效应

• 6.4.1. 当面对一个大的能垒时，通常粒子无法穿透它

• 6.4.2. 在量子力学中，有一个很小但有限的概率，你可以“隧穿”或穿透它

• 6.4.3. 在亚原子世界中，隧穿是常见的，可以解释使生命成为可能的奇异化学反应是如何发生的

7. 彼得·肖尔

7.1. 直到20世纪90年代，量子计算机在很大程度上仍然是理论家的玩具

• 7.1.1. 它们存在于一小部分才华横溢的科学家、真正的信徒和学者的脑海中

7.2. 以前安全分析师可能不需要具备物理学背景，但现在他们已经被要求破解量子理论的奥秘了

• 7.2.1. 量子计算机的工作是高度推测性的，是最深奥的电气工程师的领域

7.3. 量子计算机有可能破解目前使用的任何数字代码，从而危害世界经济，因为当通过互联网上发送数十亿美元时需要绝对保密

7.4. 陷门函数

• 7.4.1. 在一个方向上，当两个数字相乘时，陷门函数是微不足道的

  • 7.4.1.1. 在另一个方向上，这是非常困难的

• 7.4.2. 事实上，经典计算机原则上能够计算量子计算机可以计算的任何东西，反之亦然，但如果数据过于复杂，经典计算机就会不堪重负

7.5. 量子计算机的主要优点是节省时间

• 7.5.1. 尽管经典计算机和量子计算机都可以执行某些任务，但经典计算机破解一个难题所需的时间可能会使其完全不切实际

• 7.5.2. 经典计算机对一个大数进行分解所需的时间太长了，这使得破解秘密变得不切实际

• 7.5.3. 量子计算机可以在一段给定的时间后破解代码，虽然时间仍然很长，但也许已经足够短了，可以实际使用

7.6. 肖尔的算法从这些经典数学家已知的分解任意数的标准技术开始

• 7.6.1. 在量子的情况下，我们必须对更多的状态求和，所以必须进行量子傅立叶变换

• 7.6.2. 最终结果表明，因为有更多的状态用于计算，所以计算可以在创纪录的时间内完成

• 7.6.3. 经典计算机和量子计算机都以大致相同的方式进行因子分解，只是量子计算机同时有许多状态用于计算，大大加快了这一过程

7.7. 分解一个数字所需的时间呈指数级增长，比如t~e^N，再乘以一些不重要的因素a

• 7.7.1. 计算时间可以迅速上升到天文数字，堪比宇宙的年龄

• 7.7.2. 使得尽管对大数进行因式分解是可能的，但在传统计算机上进行计算非常不切实际

7.8. 如果我们使用量子计算机进行同样的计算，因式分解的时间只会像t~N^n一样增长，即像多项式一样增长，因为量子计算机比数字计算机快得多

7.9. 击败肖尔的算法

• 7.9.1. 在未来，一旦量子计算机开始破解你的密码，立即改造整个行业可能为时已晚

• 7.9.2. 处理肖尔的算法的最简单方法就是增加需要分解的数字

  • 7.9.2.1. 量子计算机可能仍然能够破解修改后的RSA代码，但这将增加黑客破解代码的时间，并可能使成本高得令人望而却步

• 7.9.3. 最直接的方法是设计更复杂的陷门函数

  • 7.9.3.1. RSA算法太简单了，无法阻止量子计算机，因此美国国家标准与技术研究院的备忘录提到了几种比原始RSA代码更复杂的新算法

• 7.9.4. 政府和大型机构可能会采取最后的手段，即使用量子密码学来击败量子计算机，也就是说，利用量子的力量来对抗它自己

8. 激光互联网

8.1. 未来，绝密信息可能会通过激光束而不是电缆在一个独立的互联网信道上发送

• 8.1.1. 激光束是偏振的，这意味着波只在一个平面上振动

• 8.1.2. 当罪犯试图窃听激光束时，就会改变激光的偏振方向，监视器会立即检测到这种变化

• 8.1.3. 通过这种方式，根据量子理论的定律，你就知道有人窃听了你的通信

8.2. 确实需要一个基于激光的独立互联网来传输最重要的国家机密，但这将是一个昂贵的解决方案

8.3. 量子密钥分发的新技术，该技术使用纠缠量子位传输加密密钥，因此人们可以立即检测到是否有人入侵了网络