量子计算群英会(二) - 离经叛道的量子计算先驱
我们所知道的量子计算，一般被公认为是由物理学家费曼开启的，始于他在1981 年MIT第一届计算物理会议上发表的主题演讲。但实际上那次会议是由 MIT 和 IBM联合主办，幕后英雄也另有其人，今天我们就聊聊量子计算早期的开创者之一：埃德·弗雷德金（Edward Fredkin，1934-2023）。我们在本文中，将经常简称弗雷德金为“埃德”，他的传奇故事会令你耳目一新，因为这位量子计算的科学先驱，有着如此的精彩人生！
01 名校教授无学历
埃德是一位美国计算机科学家、物理学家和商人。尽管他连大学本科都未毕业，但他对量子计算和人工智能做了杰出的贡献，是两个领域的先驱，因而破格被MIT聘为正教授，成为了1981 年MIT计算物理会议的主持人之一。
不过，弗雷德金的生平，却不是如通常学术界教授那般简单，他直到去年（2023年）才以88高龄去世，度过了一个丰富多彩的人生。
埃德的父母都是俄罗斯移民，在洛杉矶相识。母亲是一位音乐会钢琴家，不幸于埃德11岁时因癌症去世，父亲原来是一名颇为成功的商人，开了一家电子产品、收音机店，但在1929年大萧条期间破产，失去了所有的财产。
因此，这个家庭并没有学术基因，但却颇具怀疑精神。埃德继承了父亲喜欢竞争不畏权威的性格，喜爱科学且推崇爱因斯坦，还一度热衷于挑爱因斯坦学说的错误。相对贫困的家庭也激励了小埃德的创业精神，他用送报纸等各种事情来想方设法赚钱。
小埃德颇具冒险精神，崇尚英雄行为，图1是他13 岁时第一次出现在报纸上的照片，那年美国举办历史文献展览，一趟名为“自由列车”的火车环游全国。当火车到达时，年轻的埃德早上两点钟起床骑自行车飞速赶到火车站，就为了成为洛杉矶第一个宣誓登上“自由列车”的初中生！
图1 埃德13岁，MIT会议上
尽管埃德对科学也感兴趣，但因为他太强的叛逆精神，从不做任何家庭作业，所以学习成绩不佳。然而，当年他仍然幸运地被加州理工学院录取了。加州理工学院后来告诉他，他以他们所见过的最差的高中成绩被录取。埃德进入加州理工后，师从诺贝尔奖获得者化学家莱纳斯·鲍林。但他却发现，即使进名校跟名师，也一样无趣。又因他性格孤高狂傲，和大多数老师和同学的关系处得不是很好，学业成绩也平平。家境又窘迫，只能靠自己打两份工挣钱交学费。况且，埃德从小酷爱飞机热衷飞行，挣到的钱还分出去一部分学习飞行课。所以钱花光了后，埃德在1952 年大二时就决定退学了。退学后加入美国空军，成为了一名战斗机飞行员。
回顾埃德的一生，这“退学”到底是好事还是坏事呢？这个问题很难回答，或许是“成也萧何败也萧何”。不过，一个18岁的少年，从大学退学去作飞行员，这个转折无疑对其人生道路影响巨大。
幸运的埃德当了飞行员而避开了朝鲜战争。从飞行学校毕业几年后，空军派他去MIT林肯实验室，帮助测试新生的SAGE防空系统，也接受了喷气式飞机飞行员的培训。林肯实验室是五角大楼资助的技术创新的源泉。埃德在SAGE的测试中，充分表现了他的聪明才智，事实很快证明，那类测试，不是随便哪个人都能做的。于是，在一年半的时间里，埃德接触到了当时IBM最为尖端的计算机：XD-1。在那儿他还学会了编程，要知道，当年的码农群体不过几百人左右，所以埃德很快出名，成为了世界上最好的程序员之一。
埃德年轻时社交能力较差，因此他避免参加运动和舞会，而更喜欢沉浸在技术相关的爱好中。在服役期间，埃德依然特立独行，得了个“聪明的混蛋”的绰号，但也逐渐学会了一些为人之道，和同伴去打高尔夫之类的，还学会了和异性约会，甚至还结了婚。
其实，由于没有学历，埃德当年并没有资格参加任何关于SAGE或XD-1装备的会议，他也不是林肯实验室的正式在编人员。但无论如何，埃德通过与XD-1机器的接触，从此了解了计算机。
连大学的正规文凭都没有，当然会影响学界对埃德的态度。但是，也正是因为没有接受过学院派的正规教育，才使埃德终其一生都能天马行空地自由思考。即便是多数权威物理学家都说不可能的事情，埃德也要去探个究竟。例如，如今量子计算中的“可逆计算”，当年人们认为在经典计算中不可能实现，但埃德不信邪，继续深入钻研还弄出了名堂。
对埃德而言，因缺乏学术训练使他很少写下他的想法，也不重视发表论文，他的著述清单少得可怜，一生60多年的职业生涯中中还有一段连续30年的时间没有任何文章发表，这也是他的名字如今鲜为人知的原因之一。不过话说回来，他一生的专利倒是不少。
总之，埃德的计算机职业生涯开始于 1956 年的林肯实验室。从此之后，除了飞机以外，埃德有了另一个大玩具：计算机。对计算机硬件软件的深入研究，满足了他从小对物理学的浓厚兴趣；计算机使他有了赚大钱发财的机会；埃德对计算机科学的贡献，也使他创造了“无本科学历却被MIT直接聘请为正教授”的奇迹。
02 富翁酷爱大玩具
埃德·弗雷德金的一生中，也遇到了几个十分赏识他的朋友和贵人。
埃德1958年离开林肯实验室，当时的说法是他因为学历被项目负责人轻视。其实真实原因是因为埃德遇见了一个赏识他的、对电脑特别感兴趣的工程心理学家：约瑟夫•里克莱德（Joseph Licklider）。约瑟夫当时在BBN公司工作，想要找人帮自己建立专门的电脑部门，便说服埃德加入BBN，条件是可以给他买他想要的电脑。1959 年 12 月，埃德在波士顿东部联合计算机会议上看到DEC（Digital Equipment Corporation）公司发布的 PDP-1 计算机原型，建议 BBN 购买了第一台 PDP-1 。这机器让埃德高兴极了，没日没夜地勤奋工作。新机器最初交付时没有任何软件，所以，埃德为PDP-1编写了名为 FRAP（弗雷德金汇编程序）的 PDP-1 语言及其第一个操作系统 (OS)。他直接与 PDP-1 的设计者合作，对硬件进行大改造，以支持通过 BBN 分时系统进行分时。他发明并设计了第一个现代中断系统，即DEC之后称为“序列中断”的系统。
图2 埃德最爱的两样大玩具
埃德一直以来最喜欢的“玩具”是飞机，他在不同时期拥有多种类型的飞机：滑翔机、喷气式飞机等，图2左图是他的一架水上飞机。
埃德在BBN结识了两个终生挚友：麻省理工学院的教授马文·明斯基（Marvin Minsky)）和约翰·麦卡锡（John McCarthy），与他们一起开创了人工智能领域。1962 年，麦卡锡要在加州理工学院发表演讲，三位好友结伴前往。埃德在那里见到了 39 岁的费曼，后者比埃德大10岁左右，在量子电动力学方面已经做出了里程碑的工作（之后获得了 1965 年的诺贝尔物理学奖）。费曼也对计算机感兴趣，他展示了一本充满计算的手写笔记本，并要求他们开发可以执行符号数学计算的软件。从此后，埃德开始了与费曼长期的友谊和交往。此外，埃德与创建Mathematica的斯蒂芬·沃尔夫拉姆也是好朋友，因他们都对物理的元胞自动机模型着迷。
在BBN的几年，弗雷德金对公司的运作卓有成效，自己也学了技术交了朋友受益匪浅，积累了经验，加深了对计算机的理解。春风得意翅膀硬朗之时，埃德想起了儿时挣扎于贫困之中总希望赚大钱的梦想。于是，他1962年离开BBN，创办了世界上最早的人工智能初创公司之一，名号取得很大：信息国际公司（Information International, Inc.），也被称为Triple-I，实际上基本只有他一个人。主要靠的是一项计算机硬件发明：“可编程胶片读取机”，开发高精度数字胶片扫描仪以及出版系统的其他尖端硬件，公司的产品包括文本输入和编辑系统，包括广告制作、文件管理、页面制作和记录等，使用户能够实现出版过程自动化。
Triple-I于1968年上市，埃德成为百万富翁。上市的那年，埃德花了大约等价于100万美元的现金加股票买了个岛，从此基本告别了自己创立的第一家公司。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，埃德成为 MAC 项目的主任，这是麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室 (CSAIL) 的前身。尽管他缺乏学术资历，但麻省理工学院还是接受他成为了正教授。
图3 埃德和朋友们在MIT，左起：香农（建立信息论）、麦卡锡（发明LISP）、弗雷德金（提出可逆计算）、维森鲍姆（发明第一个聊天机器人ELIZA），1968 年
埃德和费曼有不少共同之处，他们除了学术交流之外，还有些生活上的趣闻轶事。1980年，埃德与他的第二任夫人乔伊斯结婚，费曼担任埃德的伴郎，并在最后一刻借给埃德一条领带。1981 年，埃德和乔伊斯生了一个儿子，他们以费曼 (Richard Feynman) 之名为他命名为理查德。
有人说，埃德一生中有关科学和技术方面的伟大想法多得不计其数，申请了专利的只代表他丰富创意中的一小部分。他一生游荡于自己的智慧海洋中，或许缺少了一点将想法具体落实的毅力。2015 年，80岁的埃德还申请了他的最后一项专利。
埃德的商业活动也不局限于科技。他喜欢买东西卖东西，这“东西”包括汽车、游艇、飞机、房地产、岛屿等等。他的蚊子岛 (Mosquito Island)，据说最终以 2500 万美元的价格卖给了英国亿万富翁理查德·布兰森 (Richard Branson)。
也可以说，埃德的玩具还不限于飞机和电脑，诸如汽车、房地产、专利、公司……，都是他酷爱的人生玩具。
不过，就学术兴趣而言，埃德最初的关注点是物理学，最后是计算和人工智能。因此，1968 年，弗雷德金重返学术界，开始在MIT担任正教授，从 1971 年到 1974 年，担任麻省理工学院 MAC 项目的主任。
03 宇宙视作大电脑
埃德是一位打破常规的科学理论家，作为数字物理学的先驱，他以非正统的观点而闻名。正如著名的计算机学者明斯基所说，弗雷德金能借助简单的智力畅想来发现深层的原则。而埃德所创中最深层的思想，是他的“数字物理学”。
他的数字物理学，实际上是一种泛计算主义，用通俗语言来说，就是认为整个宇宙实际上可以被视为一台巨大的计算机。泛计算主义者认为，生物可以简化为化学，化学又能简化为物理，物理最后简化为信息的计算。因此，弗雷德金推论下去便得到：物理现实中的一切都必须有数字信息表示，所有变化都是数字信息过程的结果。
数字物理的名称是他使用的，但他不是第一个提出泛计算主义的人。早期计算机先驱，德国工程师楚泽在他1969年出版的《计算空间》一书中便提出，宇宙可以被视为经典的数字蜂窝自动机。
图4 数字物理学认为宇宙是个大计算机
宇宙是一个计算机吗？因为难以证实或证伪，类似弗雷德金“数字物理”一类的泛计算主义并没有成为科学思想，或科学哲学中的主流，但也得到了一些著名科学家的支持。包括荷兰物理学诺贝尔奖获得者胡夫特（Gerard 't Hooft）和美国物理学家约翰·惠勒在内，惠勒名言“一切皆比特”的说法，便是该类思想的精辟表达。
埃德认为，计算概念可能是比传统的微分方程更好的描述物理学的方法，他认为DNA 作为遗传的基本组成部分，是“数字编码信息的一个很好的例子”。比如，像老鼠这样普通的生物，“也是一个庞大而复杂的信息过程。”
弗雷德金更进一步从数学角度得出结论，宇宙是一个“细胞自动机”。细胞自动机是一种用服从简单规则的“元胞”之演化来模拟物理过程的离散数学模型。最早由冯诺依曼提出，最著名的例子是1970年，英国数学家康威（Conway）的生命游戏。细胞自动机定义了一组状态翻转的规则，埃德等相信：随着时间的推移，这些简单的规则可以产生宇宙的所有复杂性 - 甚至生命。
近年来，将细胞自动机研究到极致的，是英国计算机科学家斯蒂芬·沃尔夫勒姆（Stephen Wolfram）2002年出版的《新科学》一书。埃德对此书的反应是：“沃尔夫勒姆是第一个相信这些东西的重要人物，我一直很孤独。”，显然，埃德有种找到知己的欣喜，从此两人成为好友，频繁通信，共同研究细胞自动机。
不过，大多数物理学家并不在意埃德这项思想上的创举。例如，《科学美国人》书评人菲利普·莫里森（Philip Morrison）说：“假如弗雷德金是卖奶酪的，他就会告诉你宇宙中所有一切都是奶酪做的。但他碰巧是个计算机科学家，所以他就告诉你宇宙是台计算机。”，事实上，埃德本人对此也大致认同，他自知缺乏典型的物理学教育，这在一定程度上使他形成了有趣而独特的观点。
04 量子计算探可逆
埃德一生传奇色彩浓厚，探索的领域众多，很多重要领域的开拓都跟他有关，不过，我们介绍了老半天还没说到他对AI及量子计算的主要贡献。
先说说他对人工智能领域的贡献吧，埃德自己就是早期国际象棋处理系统的开发者。如今，人人都知道“深蓝”计算机于1997 年击败了国际象棋世界冠军加里·卡斯帕罗夫，但却很少人知道这背后的推手包括了埃德。那是因为他赚了钱成为了百万富翁后，于 1980 年创建了一个弗雷德金奖，向任何能够开发第一个计算机程序并赢得世界象棋冠军的人颁发10 万美元的奖金。埃德当时表示：“我毫不怀疑计算机最终会击败卫冕世界国际象棋冠军。”“问题是何时？”
弗雷德金奖的得主就是1997 年IBM 的程序员团队，他们因此而获得了六位数的奖金。
埃德终生关注AI的进展，这固然也与他“数字物理”的想法有关。当他老年时被问及人生的意义是什么时，弗雷德金说道：“我们的使命就是创造人工智能，这是进化的下一步。”
埃德对量子计算的贡献，从他与费曼的学术交往可见一斑。
弗雷德金被MIT正式聘为教授，是他学术生涯的一大成就，但他对此却很快地感到了厌倦。因此， 1974 年他到加州理工学院，与费曼一起度过了一年。协议是埃德将教授费曼计算，而费曼将教授埃德量子物理学。
通过向费曼学习，埃德逐渐了解了量子物理，但他并不相信这个理论。因为他有他自己的“数字物理”，认为宇宙中的万物都是由离散的数字单元构成的，而量子论与他的“宇宙是个计算机”的哲学思想相冲突。
费曼呢？从埃德也学到不少计算机的知识。费曼对埃德的评价颇高，认为他优秀而具有独创性：“如果谁能找出全新的且富有成果的思考物理学的方式，那一定是弗雷德金。”
不过，费曼仍然是传统物理学家，他当然不相信埃德“数字物理”那一套。并且费曼当时并不认为计算和物理之间存在实质的联系，他认为有意义的只是使用计算机来进行物理中的计算。因此，当埃德希望费曼在 1981 年的会议上发表主题演讲时，他最初拒绝了。不过后来，埃德答应费曼他可以谈论任何他想谈论的内容，费曼才欣然接受，并在详细的演讲中提出了利用量子效应本身进行模拟计算的方法。
费曼当初没有为会议准备正式论文，但埃德一名研究生记录了费曼在会上的讲话，并将其以“用计算机模拟物理”为标题，发表在《国际理论物理学杂志》上。这使得费曼的MIT演讲广为人知。
如上所述，没有埃德的努力，就没有费曼的重磅MIT演讲，就难有那次“费曼开启量子计算”的划时代会议。这是埃德对量子计算的贡献之一。
埃德对量子计算实质上的贡献是对“可逆计算”的早期研究。前面我们提到过这点：当年人们认为在经典计算中不可能实现可逆计算，因为这有可能违反热力学中的熵增加原理，但埃德仍然继续钻研，提出了弗雷德金门，这就是后来计算界人士较熟悉的托弗利门（toffoli gates）的前身。
图5 2020年，85岁的埃德在卡内基梅隆大学作关于可逆经典计算的主题演讲
弗雷德金门是量子计算中的重要概念，因为量子计算就是一种可逆计算，这些概念也与其他几位先驱人物的工作有关。为了完整性，我们将在下一次的文章中介绍。
（本文于3/4/2024首次发布于微信公众号“量子沙龙”）