戴维·多伊奇：他奠定了量子计算理论，只为了证明量子力学多世界理论的真实性

David Deutsch（戴维·多伊奇），英国物理学家，量子计算理论奠基人，毕业于剑桥大学与牛津大学。作为牛津大学量子计算中心客座教授，其研究领域涵盖量子信息科学与基础物理理论。

成为理论物理学家

戴维·多伊奇出生在以色列海法的一个犹太家庭，在伦敦地区长大。本科就读于剑桥大学克莱尔学院，攻读自然科学专业，随后攻读数学硕士学位。他声称自己数学学得不好，事实上他完成了数学荣誉学位课程第三部分——被认为是世界上最难、最密集的数学课程。

之后多伊奇前往牛津大学沃尔夫森学院攻读理论物理博士学位，研究弯曲时空中的量子场论——一个处于量子理论与广义相对论交界处的课题。丹尼斯·夏玛（Dennis Sciama）是他的导师，一位宇宙学家和天体物理学家。夏玛培养出了很多优秀学生，现代多位顶尖物理学家和宇宙学家（其中就有霍金）都在他的指导下完成了博士论文。

▲丹尼斯·夏玛Dennis Sciama（1926-1999），英国宇宙学家，天体物理学家，多伊奇的博士生导师

还在读博期间，多伊奇前往美国德州大学奥斯汀分校，加入约翰·惠勒（John Archibald Wheeler）新成立的研究小组。惠勒向包括多伊奇在内的学生和博士后们提出要求，“给出量子理论的信息理论推导！”有学者把它看作量子信息领域的开端。这里要特别提到一点，惠勒还是“多世界诠释”提出者休·埃弗雷特（Hugh Everett）的导师，因为这层关系，多伊奇得以接触并深入了解多世界诠释，并最终成为该理论的坚定支持者和推动者。正是惠勒对量子力学形式体系和诠释的深刻见解，激发了多伊奇对量子计算的兴趣。

▲约翰·惠勒John Archibald Wheeler（1911-2008），美国理论物理学家

多世界诠释支持者

多伊奇在美国求学期间接触到了“多世界诠释”（many-worlds interpretation），这是量子力学的众多解释之一。在所有的流派之中，最主流的当属哥本哈根诠释。哥派认为，测量引发波函数坍缩：量子系统在被观测之前处于多个状态的叠加态，测量让量子叠加态以一定概率随机坍缩到其中一个状态。

1957年27岁的埃弗雷特（英文）在他的博士论文Relative State Formulation of Quantum Theory（Rev. Mod. Phys.29: 454–462）中否定了波函数坍缩这一假设：系统始终遵循薛定谔方程进行演化，测量的过程中仪器与系统发生纠缠，导致系统的波函数分裂成多个互不干涉的平行世界。

▲休·埃弗雷特Hugh Everett（1930-1982）以提出多世界诠释而著名，被《科学美国人》（Scientific American）誉为“20世纪最重要的科学家之一”

如果拿薛定谔的猫来做例子，多世界论解释就是：测量导致现实分裂成两个独立的世界，一个世界里猫是活的，一个世界里猫是死的，两个世界互不干涉，观察者本身感觉不到“分裂”的发生。

▲薛定谔猫的哥本哈根解释（左）和 多世界解释（右）

埃弗雷特的想法听起来过于超前疯狂，物理学界对此反应异常冷淡。1959年，在导师惠勒的邀请下，他前往哥本哈根与“量子力学哥本哈根诠释之父”玻尔见面。遗憾的是，这是一次令人沮丧的会面，玻尔完全否定了艾弗雷特的的理论。埃弗雷特获得博士学位后，离开物理界，进入国防领域，后来又在金融界、电脑界创业，成为百万富翁。

▲玻尔（中）与埃弗雷特交谈（右二） (Photograph by Alan Richards)图片来源：AIP 埃米利奥·塞格雷视觉档案

到了1970年，引力理论家布莱斯·德威特（Bryce DeWitt）在《物理今日》杂志上发文介绍埃弗雷特的理论，并将其正式命名为 “多世界诠释” ，这篇文章极具影响力，把多世界诠释推入公众的视野。

1977年埃弗雷特再次应惠勒邀请，从繁忙的国防事务中抽身，前往德州大学奥斯汀分校参加研讨会并发表演讲。演讲反响非常强烈，震撼了在场的许多物理学家。多伊奇也在其中，他第一次见到了多世界诠释的提出者，并直接受其思想的启发。此后，多伊奇成为了该理论最坚定、最著名的支持者和发展者之一，并将其作为自己后来开创量子计算研究领域的核心哲学基础。

▲支持“多世界诠释”的科学家

量子计算之父

多伊奇多次提到他研究量子计算的动机是通过构造量子计算机来证明多世界诠释是真实的。在他看来，量子并行运算意味着一种能力，即一台机器能同时在所有平行世界中进行计算。

1985年他在《英国皇家学会会刊》上发表了题为《量子理论，丘奇-图灵原理和通用量子计算机》（Theory the church tour principle and the universal condom computer）的论文，详细阐述了量子理论和通用量子计算机之间的关系。文中首次提出了“量子图灵机”的概念。

▲从图灵机到通用量子计算机 图片来源：

与使用经典比特（0或1）的经典图灵机不同，量子图灵机利用量子比特（qubit）作为信息载体，其状态可以是0、1的叠加态。同时，量子图灵机的运算过程由酉变换（Unitary Transformation）来实施，这意味着除了最终的测量步骤，量子图灵机的演化是完全可逆的，并且遵循薛定谔方程。由于叠加态的存在，量子图灵机可以同时对输入态的所有可能分量进行计算，即并行计算，这意味着它在处理特定计算问题上拥有远超经典计算机的潜力。

在这篇开创性的文章中，多伊奇还设计了历史上首个“量子算法”（Deutsch算法），巧妙利用量子叠加和干涉现象，展示量子并行计算的优势。虽然它解决的问题本身没什么实际应用，但历史意义重大，它为后来量子算法的设计埋下了思想的种子。

1992年，也就是Deutsch算法提出7年后，他与理查德·乔萨（Richard Jozsa）合作提出了Deutsch算法的推广——Deutsch-Jozsa算法，首次证明了量子算法相较于经典算法具有指数级加速效应。在Deutsch算法启发下，后续几年间量子算法迎来“小小的”爆发：1994年，彼得·肖尔（Peter Shor）提出Shor算法，1996年，洛·格罗弗（Lov Grover）提出了 Grover算法。

量子密码学的发明者之一阿图尔·埃克特（Artur Ekert）是多伊奇的学生，也是挚友。埃克特在牛津攻读博士学位期间接受了多伊奇的指导，此后两人在牛津大学克拉伦登实验室的量子计算中心作为核心成员，共同工作数十年，结下了深厚的友谊。

▲Ekert给多伊奇70岁的生日祝福，以玩笑的方式探讨完美分配的体系是否存在

“量子计算之父”的称谓对多伊奇并不为过。虽然他并非第一个提出“利用量子系统进行计算”这一构想的人（该荣誉通常归于理查德·费曼），但多伊奇是首位为量子计算奠定严格理论基础，并证明其具备超越经典计算潜力的先驱。他提出的量子图灵机与多伊奇算法，分别完成了理论奠基与算法突破这两大里程碑，此后引领或参与了该领域多项重大突破，在量子逻辑门与网络理论、量子纠错方案以及量子密码学等关键领域，也都做出了奠基性的贡献。

物理学家中的离经叛道者

多伊奇身材瘦削，有着像猫头鹰一样的明亮眼睛。他被称作牛津大学最有才气的遁世物理学家。他研究量子计算，并非为了造出更快的机器，而是为了证明“多世界诠释”的真实性，并探索知识的本质、现实的结构。他常年深居牛津郊区，几乎不在学术圈抛头露面，但通过量子计算的理论和著作，他与整个世界的科学进程保持着最前沿的链接。他写书，演讲，参与访谈，话题极其广泛，涉及物理学基础、计算理论、人工智能、哲学认识论、社会文化等多个维度。

▲2022年多伊奇以数字人形式参加访谈，探讨量子计算对人工智能开发与应用的重要意义

硅谷知名天使投资人纳瓦尔·拉维坎特（Naval Ravikant）非常推崇多伊奇的著作。他表示，至少在科学领域，多伊奇的《真实世界的脉络》（The Fabric of Reality）与《无穷的开始》（The Beginning of Infinity）值得一遍一遍读，是“使人变得更聪明”的好书。

edge.org网站每年都会向若干顶尖科学家和名人提出一个问题，2014年度问题是“当下哪些科学概念应该消失？”

多伊奇的回答是“量子跃迁”，理由是“‘量子跃迁’一词已成为日常语言中对巨大且不连续变化的隐喻。它也在庞大但令人遗憾地重复的伪科学和神秘主义领域中广泛流传。”（小编倒觉得，他这么做更像是为了避免量子跃迁被滥用。）

多伊奇的个人主页显示，他是牛津大学的“无薪客座教授”（non-stipendiary Visiting Professor），这意味着他在牛津大学有职位，但并不领取工资。这在英国学术界是一种常见的安排，通常授予那些已经拥有其他收入来源的杰出学者，以保持与大学的联系。

多伊奇的收入来源除了书籍版税、演讲费和科研项目经费，还有就是高额的科学奖金。2022年9月，他与另外三名量子信息领域的先锋人物获得了被称为“豪华版诺奖”的基础物理学突破奖（Breakthrough Prize in Fundamental Physics），分享300万美元奖金。他还曾获得狄拉克奖（Dirac Prize）、墨子量子奖（Micius Quantum Prize）以及艾萨克·牛顿奖（Isaac Newton Medal and Prize）。期待今年的诺贝尔奖金也能成为他年度收入的一部分。

参考资料：

文章转载自"墨子沙龙"公众号