[发明专利]相对论量子计算机/量子引力计算机

说明书

经典计算机为了可靠地运行而抑制了量子不确定性，而量子计算机利用不确定性来提供附加的计算资源。经典计算机和量子计算机都在背景相依的确定性框架中运行，并以步进的方式处理信息。另一方面，量子引力计算机具有无限的因果结构，这是由广义相对论和量子力学之间的相互作用引起的，并且无法被建模为步进过程。该量子引力计算不以传统意义进行“计算”，但是仍根据规则来处理信息。这种计算机比步进式计算机具有更强大的能力，并且可应用于对其中量子力学和广义相对论都很重要的系统进行模拟，例如宇宙的早期阶段。它还可以作为人脑运作的模型，从而产生诸如理解力、自由意志力和创造力等的能力。

技术领域

本文描述的主题涉及相对论量子计算，也被称为量子引力计算。

背景技术

当工程师使用短语“计算机”时，短语“计算机”通常意味着典型操作的数字计算机。无论计算机是实现为手表还是超级计算机，计算机都按照相同的原理运行。人们认为所有这样的计算机在计算方面都等同于图灵机(Turing machine)，其只保留了无法访问无限带的实际限制。已经证明，计算的多种描述(图灵机、丘奇的lambda演算(Church’s LambdaCalculus)以及波斯特机(Post machine))都是等效的，并且具有众所周知的限制：仅对可计算数和可计算功能进行计算。最重要的不可计算功能是停机(Halting)问题，该问题在图灵的论文“On Computable Numbers with application to the Entscheidungsproblem(论可计算数在判定性问题中的应用)”中被证明不存在可计算的解。其它许多问题通过被简化为停机问题、部分停机问题(例如希尔伯特10^th相关丢番图方程以及赖斯定理(Rice’sTheorem))而被表明是不可计算的。这些约束严重限制了传统计算机的能力。

我们都熟悉数字计算机，不过存在其它类型的计算机。模拟计算机对实数进行计算，而不是对数字变量计算。输入由诸如电容器上的电荷之类的模拟值表示，诸如晶体管或阀门之类的非线性门用于将两个实数值相乘。模拟计算机有某些优势。模拟计算机能够在单次操作中执行无限精确的乘法或其它一些复杂的功能，模拟计算机似乎可以精确地模拟我们认为存在于宇宙中的连续物理值。由于无法精确地指定功能以及在模拟计算机中存在无法抑制的噪声，模拟计算机存在许多实际限制。将模拟值约束为离散频带的数字化过程允许我们任意降低噪声对计算的影响，并且能够在存在一定精度限制的情况下精确地对函数进行建模。出于这些原因，数字计算机是当今的主流计算机。因为模拟过程可以被建模为数字计算机上的任意精度，所以模拟计算不被认为具有比数字计算机更强的能力。

量子计算机已经成为一种新的计算资源并且在量子位而不是比特上进行运算。量子位能够表示0和1以及同时表示该0和1的任意混合，且能够纠缠多个量子位以形成被称为量子字节(qubyte)的量子寄存器(quantum register)。量子寄存器上的运算允许实现诸如舒尔(Shor)算法和格罗弗(Grover)算法等之类的算法，这些算法使用量子并行性来并行地而非顺序地搜索解。由于许多自然过程本质上都是量子，例如蛋白质的折叠、化学反应以及催化剂的作用，因此量子计算机具有广泛的适用性。因为量子位能够在数字计算机上被模拟为任意精度，所以量子计算机具有与经典计算机相同的能力。所谓能力，是指它们计算相同的函数集，但是在满足某些条件时可以实现极大的加速。

无论计算机是经典计算机还是量子计算机，都经受邱奇-图灵极限(Church-Turing limit)的限制，这意味着计算机不能计算某些功能。停机问题寻求是否有可能限定一种机械过程，以正确地确定由其输入所指定的计算是否将终止。许多问题都可以被简化为停机问题，这表明它们也是不可计算的，并且在实践中经常出现此类问题。这类问题例如是识别计算机病毒、分析程序路径以及构造数学证明。实际上，赖斯定理说明了计算机程序的非平凡特征(non-trivial feature)都是不可计算的，而部分停机定理则说明不可以通过将问题分解成子集并分别计算这些子集来双向通过(bi-pass)停机限制。