投稿 | 中信出版集團，摘編自【量子霸權】
作者 | 加來道雄
責編 | Echo Tang
今年是艾倫·圖靈逝世 70 周年。
他是電腦科學之父，人工智慧的開山鼻祖，他成功破譯了德軍的終極密碼，讓二戰提前兩年結束；他創造了圖靈機，為機器學習描繪初步藍圖；他提出人工智慧測試的圖靈標準，暢想對智慧體未來的構思；他拯救了上千萬人的生命，卻無法拯救因同性戀身份獲罪的自己。
這位傳奇人物，就是生於 1912 年 6 月 23 日，逝於 1954 年 6 月 7 日的英國傑出數學家、邏輯學家——艾倫·圖靈。
圖靈的一生，仿佛一顆耀眼的星辰，照亮並引領著科技的前行之路。在他逝世 70 周年之際，我們每個人有必要知道，這個英年早逝的天才，是如何用他的智慧不止一次改變歷史的發展。
在人類文明的長河中，總有一些人以其非凡的才智，為科技進步和社會發展留下了深刻的銘印。
美國物理學家加來道雄在其新作【量子霸權】中，細致回顧了圖靈為電腦事業所做出的傑出貢獻，帶領我們穿越時空，重返那個英雄雲集的時代，感受每一位學者是如何共同推動電腦科技實作驚天跨越的。
巴比奇時代：未完成的夢想
19 世紀的機械電腦時代。那時候，工程師還只能使用旋轉的圓柱體、齒輪、傳動裝置 和輪轂來完成簡單的算術運算。
隨著人們積累的財富越來越多，對那些用來跟蹤貿易和商業的機器的復雜程度的要求也越來越高。例如，會計師開始被要求手工編制利率和抵押貸款利率的大型數學表。
然而，只要是人類，都往往難以避免代價高昂又至關重要的錯誤。因此，人們對設計不會犯這些錯誤的機械加法機產生了濃厚興趣。隨著加法機變得越來越復雜，富有進取心的發明家之間開始出現非正式競爭，大家都想比試一下，看誰能先制造出最先進的機器。在這些計畫中，最雄心勃勃的要數古怪的英國發明家和夢想家 察爾斯·巴比奇 領導的計畫，他也因此被譽為 電腦之父 。
他的夢想是發明他所在時代最先進的電腦，銀行家、工程師、海員和軍隊都可以使用它來準確完成那些煩瑣但十分重要的計算工作。與此同時，作為皇家天文學會的創始成員，他對創造一種可以跟蹤行星和天體運動的機器也很感興趣（基本上遵循了建造安提基西拉的人所走過的開創性道路）。他還致力於為海運業制作準確的航海圖。英國是一個重要的航海大國，航海圖上的錯誤可能會導致代價高昂的災難。他的想法是發明同類機器中最強大的機械電腦，能夠完成從追蹤行星運動到海上船只，再到利率計算的一切計算工作。
他順利地招募了熱心的追隨者，來幫助他推進這個雄心勃勃的計畫，其中一位便是 埃達·洛夫萊斯夫人 。
洛夫萊斯以幫助巴比奇引入計算中的幾個新概念而聞名遐邇。通常，機械電腦需要一組齒輪和嵌齒來緩慢而費力地逐個計算數位。但是，如果要一次性生成包含數千個數學數位的完整表格（如對數、利率和導航圖），則需要一組指令來指導機器進行多次叠代才能實作。換句話說，就是需要用軟體來完成對硬體中計算序列的指導。因此，她編寫了一系列詳細的指令，透過這些指令，機器可以系統地生成所謂的白努利數，這對機械電腦完成計算的計算方式至關重要。
從某種意義上說， 洛夫萊斯是世界上第一位程式設計師 。歷史學家一致認為，巴比奇可能意識到了軟體和編程的重要性，但洛夫萊斯在 1843 年寫下的詳細筆記是第一份公開發表的電腦程式記錄。
洛夫萊斯還認識到，電腦不僅能夠像巴比奇所認為的那樣完成數位計算，而且可以被拓展到更廣泛的領域。電腦不再是一個僅僅實作數位運算的機器或一個比人更出色的加法機，它還可以用於廣泛實作對科學、藝術、音樂和文化的探索。但不幸的是，對於這些改變世界的概念，洛夫萊斯未能進行更多詳細的闡述。她死於癌癥，享年 36 歲。
與此同時，巴比奇由於長期缺乏資金並不斷與他人發生糾紛，所以創造當時最先進機械電腦的夢想也未能實作。巴比奇去世後，他的許多藍圖和想法也隨之而去。
但從那以後，科學家一直試圖更加深入地去研究巴比奇的機器有多先進。他的一個未完成的模型機的藍圖就包含 25 000 個零件。當被建造出來時，這個模型機重達 4 噸、高 8 英尺 a。巴比奇遠遠領先於他所在的時代，他發明設計的機器可以處理 1 000 個 50 位數的數位。實際上，直到 1960 年，才有另一台機器能夠實作對如此大量的記憶體進行復制。
但在巴比奇去世大約一個世紀之後，倫敦科學博物館的工程師根據他在紙面上完成的設計，造出了一個模型機並將其展出。正如巴比奇在 20 世紀預測的那樣，這個機器確實能夠按照他設計的那樣運轉。
艾倫·圖靈：電腦革命的開創
艾倫·圖靈的非凡能力在他小時候就已得到認可。他的小學校長曾寫道，在她的學生中，「有聰明的男孩，也有勤奮的男孩，但艾倫則是個天才男孩」。艾倫·圖靈後來被譽為 「電腦科學和人工智慧之父」 。
盡管遭到了嚴厲的反對並遭遇了很多困難，圖靈仍下定決心要掌握數學。實際上，他的校長一直都試圖打擊他對科學的興趣，稱「他只會在公立學校浪費時間」。但這種反對反而進一步堅定了他學習數學的決心。圖靈在 14 歲時經歷了一場大罷工所導致的全國大範圍停課，但他仍然渴望上學，所以當學校再次開學的時候，他甚至獨自騎自由車到 60 英裏以外的學校上課。
相較於制造出像巴比奇的差分機那樣越來越復雜的加法機，艾倫·圖靈最終問自己的是一個與眾不同的終極問題： 機械電腦的效能有數學極限嗎？換句話說，電腦能證明一切嗎？
要做到這一點， 他必須使電腦科學領域變得更為嚴謹 ，因為畢竟以前電腦只是由一些古怪的工程師松散地整理了一些甚至可能相互脫節的想法所發明的，也沒有什麽系統的方法嘗試討論諸如「什麽是可計算的極限」之類的問題。
因此，在 1936 年，他引入了後來被稱為 「圖靈機」 的概念。這是一種看似簡單的裝置，捕捉了計算的本質，使整個領域都堅實地建立在數學基礎之上。時至今日，我們可以看到，圖靈機其實是所有現代電腦的基礎。從五角大廈裏的巨型超級數位電腦，到你口袋裏的手機，所有這些本質上都是圖靈機。 可以毫不誇張地說，整個現代社會幾乎都建立在圖靈機之上。
圖靈想象了一個無限長的帶子，裏面有一系列的方格或單元格。在每個方格裏面，你可以放一個 0 或一個 1，也可以把它留白。
然後，處理器讀取這個帶子，並只允許對其進行六個簡單的操作。總體來看，就是可以用 1 替換 0，也可以用 0 替換 1，然後再將處理器向左或向右移動一個方格：
1.讀出方格中的數位
2.在方格上寫一個數位
3.向左移動一個方格
4.向右移動一個方格
5.更改方格中的數位
6.停下來
（圖靈機是用二進制語言編寫的，而不是十進制。在二進制語言中，數位 1 用 1 表示，數位 2 用 10 表示，數位 3 用 11 表示，數位 4 用 100 表示，依此類推。還有一個記憶體可以儲存數位。）然後，最終的數值作為輸出結果出現在處理器中。
換句話解釋就是，圖靈機可以根據軟體中的精確命令將一個數位轉換為另一個數位。因此，圖靈將數學簡化為一個遊戲：透過系統地將 0 替換為 1，或者將 1 替換成 0，就可以實作對所有數學進行編碼。
在闡述這些靈感的相關論文中，圖靈用一組簡潔的指令闡明，人們可以使用他的機器來完成所有的算術計算，例如可以完成加、減、乘、除。然後，他用這個方法證明了數學中一些最難的問題，從可計算性的角度重新表述了一切。從計算角度來看，所有數學的總和正在被覆寫。
戰爭之變，改變世界局勢
毫無疑問，圖靈已經證明了自己是一個最高水平的數學天才。 但他的研究卻因第二次世界大戰而中斷。圖靈被招募到倫敦郊外布萊切利公園的英國軍事設施執行絕密工作，為戰爭提供支援。在那裏，圖靈等人的任務是破譯納粹絕密密碼。他們的第一個突破被稱為「炸彈」 （Bombe），在某些方面類似於巴比奇的差分機。「炸彈」密碼破譯機是透過電力支持的轉子、卷筒和繼電器來工作的，而不是舊機器所采用的蒸汽驅動結構——齒輪和嵌齒執行緩慢，制造困難，而且經常卡住。
圖靈還參與了另一個計畫——「巨人電腦」（Colossus）。那是一個更巧妙的設計。歷史學家認為， 這是世界上第一台可編程數位電子電腦。
這個電腦使用的不是差分機或者「炸彈」密碼破譯機使用的機械部件，而是可以發送接近光速電訊號的真空管。真空管就像能夠控制水流的閥門。透過轉動小閥門，既可以切斷很粗的管道中的水流，也可以讓很粗的管道中的水流暢通無阻。而切斷或者暢通這兩個動作，正好可以用數位 0 或 1 來表示。由此，「水管」和「閥門」系統實際上就組成了一台數位電腦的算術機制，而此處所謂的水流其實就是電流。在布萊切利公園的那台機器裏面就包括一大排真空管，科學家可以透過開啟或關閉真空管中的電流實作極快速度的數位計算。因此，透過圖靈等人的工作，數位電腦逐漸取代了模擬電腦。實際上，「巨人電腦」有 2 400 個真空管，可以占據整個房間。
除了速度更快，與模擬系統相比，數位電腦還有另一個巨大優勢。試想一下，當你用辦公室的影印機反復影印一張照片，每次用影印的圖片再進行影印的話，總會遺失一些資訊。如果一次又一次地用最新影印出來的圖片再去影印，那麽圖片就會變得越來越模糊，直到最後完全看不清楚。據此總結，如果是模擬訊號技術，那麽每次復制影像的時候其實都會發生誤差。
（現在，將圖片數位化，使其變成一系列的 0 和 1。當你第一次將圖片數位化時，你會遺失一些資訊。然而，數位資訊可以一次又一次地復制，而且每次迴圈幾乎不會遺失任何資訊。因此，數位電腦比模擬電腦準確得多。此外，編輯數位訊號很容易。模擬訊號，就像圖片一樣，是很難更改的。但數位訊號只需按下按鈕，使用簡單的數學運算就可以完成更改。）
在戰爭的巨大壓力下，圖靈和他的團隊終於在 1942 年前後成功破解了納粹絕密密碼，助力盟軍在大西洋戰鬥中擊敗了納粹海軍艦隊。很快，盟軍也得以深入了解納粹軍隊最深層的秘密計劃，他們可以成功竊聽納粹對其部隊的指示，並預先制訂更有效的戰爭計劃。「巨人電腦」在 1944 年完工，正好趕上諾曼第登陸，而納粹並沒有做好充分的準備。這決定了納粹的命運。
這些都是巨大的突破，其中一些在 2014 年的電影【模仿遊戲】中成了經典畫面。如果沒有這些關鍵性成就，戰爭可能會持續很多年，造成更多難以言喻的痛苦。哈裏·欣斯利等歷史學家估計，圖靈等人在布萊切利公園的工作將戰爭大約縮短了兩年時間，挽救了 1400 多萬人的生命。圖靈的開拓性工作不可逆轉地改變了世界局勢和無數無辜者的生活。
在美國，制造原子彈的工人被譽為戰爭英雄和奇跡工作者；但在英國，圖靈面臨著不同的命運。 由於英國國家保密法的規定，圖靈的成就被保密了幾十年，所以在當時並沒有什麽人知道他對戰爭的終結做出過巨大貢獻。
圖靈與人工智慧的誕生
戰後，圖靈又回到了一個古老的問題上，這個問題在他年輕時就深深地吸引了他：人工智慧。1950 年，他發表了一篇在人工智慧相關研究中具有裏程碑意義的論文，論文開篇寫道： 「我建議思考這樣一個問題：機器能像人一樣思考嗎？」
或者換一種說法，人類的大腦是某一種復雜型別的圖靈機嗎？
圖靈厭倦了數百年前關於意識的意義、靈魂以及是什麽使我們成為人的所有哲學層面的討論。他認為，最終，所有這些討論都將毫無意義，因為意識層面並沒有什麽明確的測試或者基準。
因此，圖靈提出了著名的 圖靈測試 ：把一個人放在一個密封的房間裏，把一個機器人放在另一個房間裏。你可以向每個人提出任何書面問題，並閱讀他們的回答。挑戰在於：你能確定哪個房間裏是人，哪個房間裏是機器人嗎？圖靈把自己設計的這個測試稱為「模仿遊戲」。
圖靈測試用一個簡單、可重復的測試取代了無休止的哲學辯論，這個測試只有一個簡單的「是」或「否」的答案。與那些沒有答案的哲學問題不同，這個測試是可以有確定性結論的。
此外，這個測試透過簡單地將「思考」與人類所能做的任何事情進行比較，回避了「思考」這個棘手的問題。圖靈測試告訴我們，也許並沒有必要去定義「意識」、「思考」或「智力」等詞匯的準確含義。換句話說，如果某個東西的外貌特征和行為特征都像鴨子，那麽無論你如何定義它，它可能都會被認定為鴨子。據此，圖靈為智力下了一個非同尋常的定義。
到目前為止，還沒有一台機器能夠始終如一地透過圖靈測試。每隔幾年，圖靈測試就會成為頭條新聞 ，但每次評委都能分辨出人和機器之間的區別，即使它被允許撒謊和編造事實。
但一個不幸事件的發生讓圖靈所有的開創性工作戛然而止。
1952 年，圖靈的家被人入室盜竊。當警察來調查時，他們發現了圖靈是同性戀的證據。為此，根據 1885 年【刑法修正案】，圖靈被捕並被判刑。懲罰相當嚴厲。他面臨的選擇是，要麽進監獄，要麽接受激素治療。圖靈選擇了後者，於是開始服用己烯雌酚，一種合成雌激素類藥物，這導致他的乳房增大並開始陽痿。在這些有爭議的治療方法持續一年之後，圖靈被發現死在了家裏。他死於致命劑量的氰化物中毒。據報道，他身旁有一個被吃了一半的毒蘋果，而強迫性的藥物治療被認為是他自殺的主要原因。
圖靈——電腦革命的開創者之一、幫助拯救了數百萬條生命的人、助力擊敗了法西斯主義的科學家，最後卻在某種意義上被自己的國家徹底摧毀了。 這無疑是人類史上的一場悲劇。但圖靈的遺產永遠留在了地球上的每一台數位電腦中。時至今日，地球上的每一台電腦的架構依然源於圖靈機。 可以說，整個世界經濟都取決於圖靈所做的開拓性工作。
但圖靈的故事僅僅是我們所講述的故事的開端。圖靈的工作基於決定論，即未來是提前決定的。這意味著，如果你把一個問題輸入圖靈機，那麽你每次都會得到相同的答案。從這個意義上說，一切都是可以預測的。
因此，如果宇宙是一台圖靈機，那麽所有的未來事件都已經在宇宙誕生的那一刻就被決定了。
然而，人類對世界認知的另一場革命將推翻這一觀點，甚至將推翻決定論。就像哥德爾和圖靈幫助證明了其實數學是不完整的一樣，也許未來的電腦將不得不處理由物理學引入的不確定性，而不能永遠地將假設錨定於決定論。
所以科學家開始關註另一個問題：量子圖靈機有可能被制造出來嗎？
量子時代，一場革命正在來臨
2019—2020 年，科學界被兩個重磅發明所震撼：兩個研究小組先後宣布其實作了「量子霸權」，成功發明了量子電腦——一種全新型電腦，在處理特定任務時能明顯超越普通數位超級電腦。這不僅預示了一場即將改變整個計算領域的劇變，而且將顛覆我們日常生活的方方面面。
首先，谷歌宣稱自己研發的量子電腦 Sycamore 可以在 200 秒以內解決世界上最快的數位超級電腦花 1 萬年才能完成的數學問題。麻省理工學院主辦期刊【技術評論】稱谷歌的此次研發是一項重大突破，甚至將其與人造衛星的首次發射或者萊特兄弟的首次飛行相媲美，認為其開創了「讓當今最強大的電腦看起來就像是算盤的電腦新時代」。
緊隨其後，中國科學院量子創新研究院更進一步，宣稱自己的量子電腦比普通超級電腦快 100 萬億倍。
IBM（國際商業機器公司）副總裁鮑伯·蘇托爾在對量子電腦快速崛起發表相關評論時說道：「我認為這將是 21 世紀最重要的計算技術。」
量子電腦之所以被冠以「終極電腦」稱號，是因為它是技術層面帶有決定性意義的一次飛躍，對整個世界都將產生深遠影響。量子電腦並不是透過微小的晶體管開展計算的，而是透過更小的媒介，即原子本身，從而能夠在計算能力上輕松打敗當下最強大的超級電腦。量子電腦有很大可能將為我們的經濟、社會以及生活方式開創一個全新的時代。
同時，量子電腦並不僅僅是一種功能十分強大的電腦器，它還代表了一種新型計算方式，可以解決數位電腦永遠無法解決的問題，即使在不考慮時間限制這個維度的情況下也是如此。比如，數位電腦沒有能力準確計算原子之間是如何結合並行生關鍵化學反應的，尤其是那些與生命科學相關的化學反應。數位電腦只能夠基於一系列 0 和 1 組成的數位開展線性計算，而只基於兩個數位來開展計算實在是太粗糙了，根本達不到準確描述出分子內部電子波動所需的精細程度。再如，在對迷宮中的老鼠所走過的路徑開展煩瑣的計算時，數位電腦是透過一條接一條地分析每一條可能路徑的笨拙方式來實作的，而量子電腦則能以閃電般的速度，同時開展對所有可能路徑的分析並完成計算。
谷歌執行長孫達爾·皮柴將量子電腦的到來與萊特兄弟 1903 年那次具有歷史意義的飛行相提並論。萊特兄弟的試飛本身並沒有那麽令人驚訝，因為飛行其實只持續了短短 12 秒。但這次短途飛行是引發現代航空業的導火索，而現代航空業的發展又反過來加速了人類文明的行程。
上述這些都關系到人類的未來。誰有能力制造和使用量子電腦，誰就有更大的贏面去爭奪人類未來的勝利。但是，要想真正了解這場革命可能對人類日常生活產生的影響，就需要先回顧過去為了實作使用電腦模擬和了解周圍世界的夢想所做的一些勇敢的嘗試。
【圖書推薦】
世界知名物理學家，超弦理論創始人之一加來道雄新作【量子霸權】，引領我們回顧那些對技術發展做出傑出貢獻的學者們。書中不僅詳細解讀了量子計算的基本原理，還深刻剖析量子時代的未來趨勢，描繪出一幅既宏大又細膩的科技發展藍圖，是一部寶貴的科技指南。
人類面臨的任何問題都有可能被量子電腦解決。加來道雄博士畢生致力於量子理論研究，他以其標誌性的清晰和熱情，講述了這個令人興奮的科學前沿，以及激動人心的爭奪人類未來的競賽。
大模型重新整理一切，讓我們有著諸多的迷茫，AI 這股熱潮究竟會推著我們走向何方？面對時不時一夜變天，焦慮感油然而生，開發者怎麽能夠更快、更系統地擁抱大模型？【新程式設計師 007】以「大模型時代，開發者的成長指南」為核心，希望撥開層層迷霧，讓開發者定下心地看到及擁抱未來。
讀過本書的開發者這樣感慨道：「讓我驚喜的是，中國還有這種高品質、貼近開發者的雜誌，我感到非常激動。最吸引我的是裏面有很多人對 AI 的看法和經驗和一些采訪的內容，這些內容既真實又有價值。」
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