 《三思科学》电子杂志
2002年第6期 总第12期
2002年6月1日
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Seth Lloyd |
宇宙计算机
 柯南
每18个月芯片的集成度提高一倍，那么计算机发展的极限是什么？麻省理工学院的一位科学家计算出了历史上最大的计算机的性能。这台计算机有一个独一无二的名字：宇宙。
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将近50年前，Intel公司的创始人之一戈登·摩尔提出了一条定律，这就是现在广为人知的摩尔定律：集成电路芯片的集成度每18个月提高一倍。迄今为止，半导体工业仍然忠实地按照摩尔定律的方向前进。然而，人们仍然在不停的怀疑，摩尔定律到底能够维持多久？
要预测10年或是100年后的芯片制造技术决非易事——想想看，10年前你绝不会相信今天的3D游戏会如此的逼真；20年前，一台今天来说极普通的家用电脑都能称得上超级电脑。谁能知道10年后我们会使用什么样的电脑呢？
但是，给技术的发展确定一个极限却绝非不可能。另外一个例子是田径运动的纪录。如果俄国撑杆跳运动员布勃卡每次把纪录提高1厘米，撑杆跳的记录存在上限吗？当然存在，我们可以下结论：布勃卡最多跳150亿光年高——那是我们这个宇宙的大小。同样，根据爱因斯坦的相对论，100米跑的成绩极限是100m/c (c为真空光速)。运动员无论如何也不能像闪电那么快。
这种结论毫无疑问会令人晕倒。夸张，太夸张了。然而，从理论上，这些结论无懈可击。难道不是吗？布勃卡跳不出宇宙（其实我们还能进一步确定这个上限：只要计算一下布勃卡体内到底能储存多少能量），刘易斯也不能追上光。当然，这种结论也可能毫无用处。
不过，确定这种物理极限也是一种严肃的研究项目。在6月10日出版的《物理评论快报》上，麻省理工学院的赛斯·劳埃德（Seth Lloyd）计算出了我们能够建造的——不过恐怕谁也不相信它能被建造出来——最大计算机的性能。这个计算机，就是宇宙。
大约在两年前，劳埃德在《自然》杂志上发表了一篇文章，计算了一台“终极笔记本电脑”的性能。他所依据的不是任何已知的计算机制造技术，而是基本的物理规律：光速、普朗克常数、万有引力常数。
每一个物理系统，例如一块水果糖、一杯水、一罐氧气，都由粒子组成。信息论认为，粒子的状态能够用来存储0或者1。也就是说，物理系统可以看作一种“存储器”。如果粒子状态改变了，0或1也就相应的改变，这可以视为一种“运算”。按照这种观点，任何物质都能被视为一台计算机。
假设有这样一台“终极笔记本电脑”，它的质量是1千克，体积是1升，这差不多是一台主流笔记本电脑的质量和体积。劳埃德使用物理定律确定了这台笔记本电脑的性能上限。计算过程可能有点让人费解，简单说来是这样的。对于计算机，进行计算需要能量，还需要时间。“终极笔记本电脑”所包含的能量可以通过爱因斯坦的质能关系计算出，那大约是1017焦耳（无论如何也不能再多了，即便这台电脑拥有最新型号的锂离子电池）。根据它所包含的能量，再加上量子物理学的原理，劳埃德最终得出了一个数字：每秒运算1051次。
终极笔记本电脑，©Nature
用粒子的状态代表二进制数字，那么一颗盐粒大约能够储存1017比特的信息，如果“物尽其用”，我们的大脑的容量大约是1028比特。热力学可以说明，储存一个比特（bit）的信息所需要的能量有一个下限。如果环境温度是T，那么储存一个比特就需要付出kTln2焦耳能量的代价。劳埃德计算出，这个“终极笔记本电脑”大约能储存1031比特的信息。
自从《自然》杂志的那篇论文发表之后，劳埃德就一直想计算出一个更大的计算机——也就是宇宙——的性能上限。很显然，没有哪台计算机会比宇宙更大。
根据宇宙所包含的总能量，劳埃德算出宇宙计算机可以执行10120次基本运算。而它能存储的信息则大约有1090比特。如果考虑到所谓的“引力自由度”，那么宇宙计算机还有潜力可挖：存储容量提高到10120比特。这大约相当于10103块10G容量的硬盘，不过，我们似乎没法制造出这么多硬盘，因为宇宙大约只有1080个基本粒子。
这就是人类面对的极限，我们不能比宇宙计算机储存更多的信息，我们不能算得比宇宙计算还要快。有一个很有名的益智游戏叫做汉诺塔。传说古印度梵天的神庙中有三根神针。其中一根针上自下而上依次摆放着大小不同的圆盘，把圆盘们完全从一根针移动到另外一根针（禁止把大圆盘放在小圆盘之上）需要移动2N-1次。看来，如果圆盘的数量太多，即使是宇宙计算机也不可能完成“搬圆盘”的任务。
世界上最大的计算机：宇宙，©NASA/COBE
劳埃德说，这一结论表明，宇宙计算机的程序可以被视作原始量子涨落，它相当于产生星系的“种子”，但是“它不运行Windows或者Linux，我们应该希望它永远不会。”
其他的科学家还从这一成果中看到的宇宙的短处。北加利福尼亚大学的Y. Jack Ng认为，劳埃德的结论表明，宇宙计算机不太“聪明”，它的效率不高，一次操作只能处理一个比特。
当然，这个看起来十分古怪的理论还有另外一个用途。根据劳埃德的“终极笔记本电脑”理论，250年之后，摩尔定律将达到它最终的极限。
If the Universe Were a Computer
Seth Lloyd访谈
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