由量子计算看科学与哲学的层次观

・科学前沿・

由量子计算看科学与哲学的层次观

吴　楠

(南京大学计算机科学与技术系Π计算机软件新技术国家重点实验室,江苏南京　210093)

摘　要:量子计算是建立在量子力学基础上的一种全新的计算,被认为是最有可能突破现有的传统计算设备之计算能力的计算方式。量子计算具有“反直觉”的特点,这使得许多我们日常生活中认为是常识的知识在量子计算中不再成立;同时,我们在一般的认知能力中认为决无可能发生甚至有些“唯心主义”的现象恰恰成为量子计算可能远远超过传统计算的有力证据。量子计算特别是量子计算机近几年的巨大发展启示我们,哲学是科学发展的一个高级阶段,哲学的发展和进步同时也可解释科学并促进科学的发展。科学的发展可能存在着本质的局限性,哲学也许能在更高的层次对这种局限性提出解决方案。

关键词:量子计算　量子力学　科学　哲学　原理　本质　现代科学技术革命

〔中图分类号〕N0　〔文献标识码〕A　〔文章编号〕1000-0763-(2007)04-0090-06

一、传统电子计算机与摩尔定律

电子计算机是二十世纪最伟大的发明之一,也当之无愧地被认为是迄今为止由科学和技术所创造的最具影响力的现代工具。我们很难想象当今生活中如果没有电子计算机(包括电子计算机所需要的各种软件和资源)的帮助,如今的社会会是什么样子。电子计算机的发展自二十世纪80年代苹果电脑公司(Apple C om puter Inc.,今苹果公司)的商业推广进入产业时代。二十世纪九十年代初期,微软公司(Micros oft C o.)的崛起宣布个人电脑(Pers onal C om puter,PC)产业黄金时期的到来,个人电脑的硬件和软件的飞速发展远远超过了许多观察家的预期:二十世纪50年代初,分析家认为到二十世纪末世界上仅需要20台电子计算机,而仅2000年一年全球个人电子计算机生产量就达到1.4亿台;1980年代美国因特尔公司(Intel Inc.)总裁曾经预言16位的微处理器已经能够完成本世纪(20世纪)绝大多数个人计算需要———而1999年64位的微处理器已经问世,所发挥的计算能力为16位微处理器的280万亿倍;同样二十世纪80年代时任微软总裁的比尔・盖茨(Bill G ates)声称64千字节内存足够个人电脑使用———而2007年个人电脑的最低内存配置为53248千字节。这一切都表明,电子计算机产业正以前所未有的速度飞速发展。同时,由此带来的巨大市场潜力直接领导了IT产业的起飞,几乎一夜之间,成千上万家IT企业在纳斯达克上市,开始了一轮新的信息淘金之路。电子计算机的诞生和发展引发了以信息技术为代表的现代科学技术革命。

在电子计算机和信息技术高速发展过程中,因特尔公司的创始人之一戈登・摩尔(G odon M oore)对电子计算机产业所依赖的半导体技术的发展作出预言:半导体芯片的集成度将每两年翻一番。事实证明,自二十世纪60年代以后的数十年内,芯片的集成度和电子计算机的计算速度实际是每十八个月就翻一番,而

〔收稿日期〕2007年3月10日

〔作者简介〕吴　楠(1981—)男,山东济南人。南京大学计算机科学与技术系博士研究生。研究方向为量子计算与量子计算机、新型软件设计方法学。

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价格却随之降低一倍。这种奇迹般的发展速率被公认为“摩尔定律”〔1〕。

在整个商业界为摩尔定律带来的空前的市场需求和个人消费前景充满无限欣喜的时候,有一个问题几乎同时被目光敏锐的哲学家和理论科学家提出:人类是否可以将电子计算机的运算速度永无止境地提升?传统计算机计算能力的提高有没有极限?

对此问题,学者们在进行严密论证后给出了否定的答案。哲学家认为,科学和技术的新旧更替是无法违背的规律,随着技术的多元化进展和科学的不断演进,任何定律都不可能在变化的环境中一成不变,同样,被产业界尊为“金规玉律”的摩尔定律也不例外;另外,哲学中的因果关系也对此否定意见起到支持作用:当今电子计算机所进行计算是需要消耗能量的,其计算能力的提高也是以能量消耗的增加为代价的;如果电子计算机的计算能力无限提高,最终地球上所有的能量将转换为计算的结果———造成熵的降低,这种向低熵方向无限发展的运动被哲学界认为是禁止的,因此,传统电子计算机的计算能力必有上限。而以I BM研究中心朗道(ndauer)为代表的理论科学家认为,20世纪中叶迅速崛起的量子力学将成为摩尔定律的掘墓人:按照摩尔定律的指数级增长速度,半导体芯片内用于传输电子信号的导线的宽度将由于微电子电路的集成密度的飞速增加而迅速变窄,根据该定律计算,到二十一世纪三十年代,芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度(1纳米=10-9米)。此时,导线内运动的电子将不再遵循经典物理规律———牛顿力学———来中规中矩地沿导线运行,而是按照量子力学的规律表现出奇特的“电子乱窜”的现象,从而导致芯片无法正常工作;同样,芯片中晶体管的体积小到一定临界尺寸(约5-10纳米)后,晶体管也将受到量子效应干扰而呈现出奇特的反常效应。现实印证了科学家的计算:2006年底导线宽度为0.05微米(约50纳米)并很可能在2007年突破0.03微米大关。哲学家和科学家对此问题的看法十分一致:摩尔定律不久将不再适用。也就是说,电子计算机计算能力飞速发展的可喜景象很可能在二十一世纪前三十年内终止。人类将面临一个经典物理世界无法突破的计算能力的屏障〔1〕。

随着计算能力临界点的临近,人类渐渐感到不安:电子计算机已经渗透到人类科学研究、物质生产以及生活的各个方面。大到宇宙科学计算,石油和地震勘探,航空航天器控制,基因组学研究和核武器模拟;小至制造业的计算机辅助设计,气象灾害预报,企业和银行信息安全以及医药卫生管理,人类对计算能力的要求的增长速度绝不低于摩尔定律预言的增长速度。问题在于,一旦摩尔定律失效,人类对高性能计算需求的增加不仅不会中止,还会越来越多。在这种情况下,不仅对计算能力需求极大的科学研究和技术开发(美国国防部公布的当今人类对计算能力需求最大的三项用途为:①核试验模拟,②地层石油勘探和③中长期天气预报)〔3〕会处于发展停滞状态,我们日常生活也会遭受重大影响。

二、量子计算的提出

著名的科学哲学家,生物多样性与社会生物学的始祖,美国哈佛大学终身教授威尔逊(Edward O.Wil2 s on)指出:“科学代表着一个时代最为大胆的猜想(形而上学)。它纯粹是人为的。但我们相信,通过追寻‘梦想—发现—解释—梦想’的不断循环,我们可以开拓一个个新领域,世界最终会变得越来越清晰,我们最终会了解宇宙的奥妙。所有的美妙都是彼此联系和有意义的。”〔1〕这段话成为许多科学家的座右铭,给人以启示。科学需要梦想,甚至需要形而上的猜想。科学的预言有时在哲学看来有着形而上学(metaphys2 ics)的味道。在人类发明最原始的计算工具以来,人类无数次梦想着计算的机械化和自动化:算盘的出现超越了算筹、纸笔等工具所导致的运算速度障碍;电子计算机诞生于人类希望从用于军事的繁重复杂的数学计算中解脱出来的梦想。而在人类面临着计算科学的最大难题———计算的极限到来之时,量子计算为实现人类的这个梦想铺开了宏伟蓝图。

2003年图灵奖(AC M Turing Award,计算机科学界的最高荣誉,由美国计算机协会颁发)获得者,美国惠普实验室前高级顾问阿兰・凯(Alan K ay)指出:“自然科学中,自然已经给了我们一个世界,而我们只是去发现它的规律。在计算机科学中,我们可以通过制造计算机科学的规律来创造一个世界。”〔1〕正如阿兰・凯所说,量子计算是人类继成功解释经典计算的本质(Alan Turing于1936年发表论文提出了经典计算的数学模型———图灵机模型〔3〕,该模型已成为现代电子计算机的理论基础)之后的又一次大胆创造。量子计算的提出不仅是科学家的胜利,同样也是哲学家的胜利。

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