原标题：量子计算之父-----Deutsch
牛津大学克拉伦登物理实验室（Clarendon Physics Laboratory）的楼梯间挂着一张1990年代末的合照，一众衣着整齐的物理学家齐聚草坪，纪念量子计算中心的创立。突兀又诡异的一角，David Deutsch 的头像通过 PS 技术被放在远处，光影与其他人均不同步，看起来就像是被传送到照片中的时空旅行者。这番设计好似同僚间的玩笑，或许也是对 Deutsch 研究项目的隐喻。
这位瘦削异常的物理学家是量子力学“多世界诠释”（Many Worlds Interpretation）的支持者，他认为量子计算将是首个能让平行宇宙之间协作执行任务的技术。他的一篇论文奠定了量子计算理论的基础、开辟了物理学的新领域。他还设计了第一个超越最佳等效经典算法的量子算法，最早展示了量子计算和经典计算在解决具体问题时所具有的明显差异，推动了量子计算的发展，被誉为“量子计算之父”。
David Deutsch
David Deutsch 在1953年出生于以色列海法，是牛津大学的英国物理学家。他曾在剑桥大学学习物理，后来又在牛津大学攻读博士学位。Deutsch 是牛津大学量子计算中心的创始成员，该中心于1998年成立，他也是牛津大学克拉伦登实验室量子计算中心（CQC）原子和激光物理系的客座教授。正是由于在量子理论方面的非凡突破，Deutsch 获得了2021年的艾萨克·牛顿奖（Isaac Newton Prize），还获得了一枚奖章[1]。该国际奖项由出版《Physics World》的英国皇家物理学会（Institute of Physics，IOP）颁发，每年颁发一次，以表彰对物理学做出杰出贡献的人。Isaac Newton Prize 也是英国皇家物理学会唯一向全球物理学家开放的奖项，此前的获奖者包括 Thomas Kibble，Deborah Jin 和 Ed Witten。Deutsch还曾获得狄拉克奖（Dirac Prize）、墨子量子奖（Micius Quantum Prize）和基础物理学突破奖（Breakthrough Prize in Fundamental Physics）。
艾萨克·牛顿奖奖章
诺贝尔奖得主、物理学家 Richard Feynman 曾说：“当想象力延展至极限，不是像小说中那样去想象真实世界不存在的东西，而是去理解那些切实存在的东西。”正如物理学的发展历史，能看到一个个荒谬绝伦的想法被证明切实无误。提及量子计算，人们大抵会想到1981年在麻省理工学院举办的第一届计算中的物理大会（First conference on the Physics of Computation）上，Feynman 做出的关于量子计算的演讲。物理学家似乎也总是处于不断接受奇诡理论的历程中，Deutsch 的早期工作成果曾因“太哲学”被多家物理期刊拒收，有些发表了的论文也只有少数人能够理解。
早在1985年，David Deutsch 发表了他的开创性工作“Quantum theory, the Church–Turing principle and the universal quantum computer”[2]。在论文中，他重新思考了“计算机科学之父”Alan Turing 提出的丘奇-图灵论题（Church–Turing thesis），认为经典图灵机只是基于经典物理学的构想，并不能完美模拟任何物理意义上可实现的系统。对此，Deutsch 提出了基于量子物理学的通用计算机，它的计算能力是图灵机无法比拟的。Deutsch 这篇论文的灵感源于1980年代初与美国物理学家查尔斯·贝内特（Charles Bennett）的一次对话，当他们谈到当时的一个新领域——Computational-complexity theory，Deutsch 困惑于计算复杂性是一种基本属性还是相对属性，而贝内特提出“最基础的计算机是物理学本身”，启发了 Deutsch 对图灵通用机在量子物理角度的思考。Deutsch 在论文中还指出通用量子计算机的若干特性，如量子关联、量子并行性、量子算法优势，很多概念都极大地影响了后来的量子计算领域。这篇文章详细阐述了量子理论和通用量子计算机之间的关系，具体来说，当时有人认为在丘奇-图灵假说的基础上有一个隐含的物理原理：每一个有限可实现的物理系统都可以被一个以有限方式运行的通用模型计算机完美地模拟出来。这篇工作就描述了一类模型计算机，它是图灵机的量子推广形式，并表明量子理论和通用量子计算机与上面的原理是相容的。原则上，通用量子计算机是可以被制造出来的，并且具有许多任何图灵机都无法复制的显著特性。在这篇论文中，Deutsch 还建议使用纠缠态和贝尔定理进行量子密钥分配。而四年后，36岁的 David Deutsch 还发展了量子计算门和网络理论，这也是今天量子信息科学的基础。
David Deutsch 对量子算法的研究始于1985年的这篇论文，并在后来1992年与 Richard Jozsa 一起提出了 Deutsch-Jozsa 算法，该算法是已知最早的、较任何确定性经典算法都具有指数级加速的量子算法之一[3]。具体来说，D-J 算法针对的是一个人工精心设计的问题，它证明了量子算法相对于经典算法有指数级别的加速能力：经典算法的验证次数是 O(2^n) 的，量子算法算上叠加态的准备和测量的时间，需要的操作步骤为 O(n)，所以我们说明量子算法相对于经典算法具有指数级别加速的特性。不过 D-J 算法的问题在于它解决的问题既不实用，又具有很大的限制，另外我们还对黑盒子本身的形态有要求，所以说 D-J 算法的理论意义是远大于其实用意义的。
值得一提的是，David Deutsch 还撰写过两本书，一本是《现实的结构》，另一本叫《无限的开始》，这两本书都是面向普通读者的。在1997年出版的《现实的结构》一书中，Deutsch 详细介绍了他的“万物理论”。它的目的不是将一切都还原为粒子物理学，而是多元宇宙、计算、认识论和进化原理之间的相互支持，他的万物理论有些是自然涌现论而非还原论[4]。而第二本书《无限的开始：改变世界的解释》于2011年出版。在这本书中，他将17世纪和18世纪的欧洲启蒙运动视为有目的的知识创造的潜在无休止序列的开始。他研究了知识、迷因的本质，以及人类创造力如何以及为何进化[5]。David Deutsch 敬佩的一些思想家包括：Karl Popper，Michael Faraday，William Godwin，Thomas Macaulay 和 Richard Feynman。
最后，我们引用在2008年被提名当选为英国皇家学会（FRS）院士时，对 David Deutsch 贡献的总结：
“奠定了量子计算理论的基础，并随后取得或参与了该领域的许多最重要的进展，包括发现第一个量子算法、量子逻辑门和量子计算网络的理论，第一个量子纠错方案，以及几个基本的量子普遍性结果。他为这个全新的跨学科领域的全球研究工作制定了议程，在理解其哲学含义（通过多宇宙解释的变体）方面取得了进展，并使其为公众所理解，尤其是在他的著作《现实的结构》中。”
Reference:
[1] "Quantum physicist David Deutsch bags Isaac Newton Medal and Prize". 30 November 2021.
[2] Deutsch, David (1985). "Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer". Proceedings of the Royal Society A. 400 (1818): 97–117.
[3] David Deutsch & Richard Jozsa. "Rapid solutions of problems by quantum computation". Proceedings of the Royal Society of London A. 1992, 439 (1907): 553–558.
[4] Deutsch, David. "The Fabric of Reality".
[5] Deutsch, David. "The beginning of infinity: explanations that transform the world".
文 | 刘科成
图 | 除标注外均源自网络
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