我們所知道的量子計算，一般被公認為是由物理學家費曼開啟的，始於他在1981 年MIT第一屆計算物理會議上發表的主題演講。但實際上那次會議是由 MIT 和 IBM聯合主辦，幕後英雄也另有其人，今天我們就聊聊量子計算早期的開創者之一：埃德·弗雷德金（Edward Fredkin，1934-2023）。我們在本文中，將經常簡稱弗雷德金為“埃德”，他的傳奇故事會令你耳目一新，因為這位量子計算的科學先驅，有着如此的精彩人生！

01 名校教授無學歷

埃德是一位美國計算機科學家、物理學家和商人。儘管他連大學本科都未畢業，但他對量子計算和人工智能做了傑出的貢獻，是兩個領域的先驅，因而破格被MIT聘為正教授，成為了1981 年MIT計算物理會議的主持人之一。

不過，弗雷德金的生平，卻不是如通常學術界教授那般簡單，他直到去年（2023年）才以88高齡去世，度過了一個豐富多彩的人生。

埃德的父母都是俄羅斯移民，在洛杉磯相識。母親是一位音樂會鋼琴家，不幸於埃德11歲時因癌症去世，父親原來是一名頗為成功的商人，開了一家電子產品、收音機店，但在1929年大蕭條期間破產，失去了所有的財產。

因此，這個家庭並沒有學術基因，但卻頗具懷疑精神。埃德繼承了父親喜歡競爭不畏權威的性格，喜愛科學且推崇愛因斯坦，還一度熱衷於挑愛因斯坦學說的錯誤。相對貧困的家庭也激勵了小埃德的創業精神，他用送報紙等各種事情來想方設法賺錢。

小埃德頗具冒險精神，崇尚英雄行為，圖1是他13 歲時第一次出現在報紙上的照片，那年美國舉辦歷史文獻展覽，一趟名為“自由列車”的火車環遊全國。當火車到達時，年輕的埃德早上兩點鐘起床騎自行車飛速趕到火車站，就為了成為洛杉磯第一個宣誓登上“自由列車”的初中生！

圖1 埃德13歲，MIT會議上

儘管埃德對科學也感興趣，但因為他太強的叛逆精神，從不做任何家庭作業，所以學習成績不佳。然而，當年他仍然幸運地被加州理工學院錄取了。加州理工學院後來告訴他，他以他們所見過的最差的高中成績被錄取。埃德進入加州理工後，師從諾貝爾獎獲得者化學家萊納斯·鮑林。但他卻發現，即使進名校跟名師，也一樣無趣。又因他性格孤高狂傲，和大多數老師和同學的關係處得不是很好，學業成績也平平。家境又窘迫，只能靠自己打兩份工掙錢交學費。況且，埃德從小酷愛飛機熱衷飛行，掙到的錢還分出去一部分學習飛行課。所以錢花光了後，埃德在1952 年大二時就決定退學了。退學後加入美國空軍，成為了一名戰鬥機飛行員。

回顧埃德的一生，這“退學”到底是好事還是壞事呢？這個問題很難回答，或許是“成也蕭何敗也蕭何”。不過，一個18歲的少年，從大學退學去作飛行員，這個轉折無疑對其人生道路影響巨大。

幸運的埃德當了飛行員而避開了朝鮮戰爭。從飛行學校畢業幾年後，空軍派他去MIT林肯實驗室，幫助測試新生的SAGE防空系統，也接受了噴氣式飛機飛行員的培訓。林肯實驗室是五角大樓資助的技術創新的源泉。埃德在SAGE的測試中，充分表現了他的聰明才智，事實很快證明，那類測試，不是隨便哪個人都能做的。於是，在一年半的時間裡，埃德接觸到了當時IBM最為尖端的計算機：XD-1。在那兒他還學會了編程，要知道，當年的碼農群體不過幾百人左右，所以埃德很快出名，成為了世界上最好的程序員之一。

埃德年輕時社交能力較差，因此他避免參加運動和舞會，而更喜歡沉浸在技術相關的愛好中。在服役期間，埃德依然特立獨行，得了個“聰明的混蛋”的綽號，但也逐漸學會了一些為人之道，和同伴去打高爾夫之類的，還學會了和異性約會，甚至還結了婚。

其實，由於沒有學歷，埃德當年並沒有資格參加任何關於SAGE或XD-1裝備的會議，他也不是林肯實驗室的正式在編人員。但無論如何，埃德通過與XD-1機器的接觸，從此了解了計算機。

連大學的正規文憑都沒有，當然會影響學界對埃德的態度。但是，也正是因為沒有接受過學院派的正規教育，才使埃德終其一生都能天馬行空地自由思考。即便是多數權威物理學家都說不可能的事情，埃德也要去探個究竟。例如，如今量子計算中的“可逆計算”，當年人們認為在經典計算中不可能實現，但埃德不信邪，繼續深入鑽研還弄出了名堂。

對埃德而言，因缺乏學術訓練使他很少寫下他的想法，也不重視發表論文，他的著述清單少得可憐，一生60多年的職業生涯中中還有一段連續30年的時間沒有任何文章發表，這也是他的名字如今鮮為人知的原因之一。不過話說回來，他一生的專利倒是不少。

總之，埃德的計算機職業生涯開始於 1956 年的林肯實驗室。從此之後，除了飛機以外，埃德有了另一個大玩具：計算機。對計算機硬件軟件的深入研究，滿足了他從小對物理學的濃厚興趣；計算機使他有了賺大錢發財的機會；埃德對計算機科學的貢獻，也使他創造了“無本科學歷卻被MIT直接聘請為正教授”的奇蹟。

02 富翁酷愛大玩具

埃德·弗雷德金的一生中，也遇到了幾個十分賞識他的朋友和貴人。

埃德1958年離開林肯實驗室，當時的說法是他因為學歷被項目負責人輕視。其實真實原因是因為埃德遇見了一個賞識他的、對電腦特別感興趣的工程心理學家：約瑟夫•里克萊德（Joseph Licklider）。約瑟夫當時在BBN公司工作，想要找人幫自己建立專門的電腦部門，便說服埃德加入BBN，條件是可以給他買他想要的電腦。1959 年 12 月，埃德在波士頓東部聯合計算機會議上看到DEC（Digital Equipment Corporation）公司發布的 PDP-1 計算機原型，建議 BBN 購買了第一台 PDP-1 。這機器讓埃德高興極了，沒日沒夜地勤奮工作。新機器最初交付時沒有任何軟件，所以，埃德為PDP-1編寫了名為 FRAP（弗雷德金匯編程序）的 PDP-1 語言及其第一個操作系統 (OS)。他直接與 PDP-1 的設計者合作，對硬件進行大改造，以支持通過 BBN 分時系統進行分時。他發明並設計了第一個現代中斷系統，即DEC之後稱為“序列中斷”的系統。

圖2 埃德最愛的兩樣大玩具

埃德一直以來最喜歡的“玩具”是飛機，他在不同時期擁有多種類型的飛機：滑翔機、噴氣式飛機等，圖2左圖是他的一架水上飛機。

埃德在BBN結識了兩個終生摯友：麻省理工學院的教授馬文·明斯基（Marvin Minsky)）和約翰·麥卡錫（John McCarthy），與他們一起開創了人工智能領域。1962 年，麥卡錫要在加州理工學院發表演講，三位好友結伴前往。埃德在那裡見到了 39 歲的費曼，後者比埃德大10歲左右，在量子電動力學方面已經做出了里程碑的工作（之後獲得了 1965 年的諾貝爾物理學獎）。費曼也對計算機感興趣，他展示了一本充滿計算的手寫筆記本，並要求他們開發可以執行符號數學計算的軟件。從此後，埃德開始了與費曼長期的友誼和交往。此外，埃德與創建Mathematica的斯蒂芬·沃爾夫拉姆也是好朋友，因他們都對物理的元胞自動機模型着迷。

在BBN的幾年，弗雷德金對公司的運作卓有成效，自己也學了技術交了朋友受益匪淺，積累了經驗，加深了對計算機的理解。春風得意翅膀硬朗之時，埃德想起了兒時掙扎於貧困之中總希望賺大錢的夢想。於是，他1962年離開BBN，創辦了世界上最早的人工智能初創公司之一，名號取得很大：信息國際公司（Information International, Inc.），也被稱為Triple-I，實際上基本只有他一個人。主要靠的是一項計算機硬件發明：“可編程膠片讀取機”，開發高精度數字膠片掃描儀以及出版系統的其他尖端硬件，公司的產品包括文本輸入和編輯系統，包括廣告製作、文件管理、頁面製作和記錄等，使用戶能夠實現出版過程自動化。

Triple-I於1968年上市，埃德成為百萬富翁。上市的那年，埃德花了大約等價於100萬美元的現金加股票買了個島，從此基本告別了自己創立的第一家公司。明斯基聘請他為麻省理工學院人工智能實驗室的副主任。三年後，埃德成為 MAC 項目的主任，這是麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室 (CSAIL) 的前身。儘管他缺乏學術資歷，但麻省理工學院還是接受他成為了正教授。

圖3 埃德和朋友們在MIT，左起：香農（建立信息論）、麥卡錫（發明LISP）、弗雷德金（提出可逆計算）、維森鮑姆（發明第一個聊天機器人ELIZA），1968 年

埃德和費曼有不少共同之處，他們除了學術交流之外，還有些生活上的趣聞軼事。1980年，埃德與他的第二任夫人喬伊斯結婚，費曼擔任埃德的伴郎，並在最後一刻借給埃德一條領帶。1981 年，埃德和喬伊斯生了一個兒子，他們以費曼 (Richard Feynman) 之名為他命名為理查德。

有人說，埃德一生中有關科學和技術方面的偉大想法多得不計其數，申請了專利的只代表他豐富創意中的一小部分。他一生遊蕩於自己的智慧海洋中，或許缺少了一點將想法具體落實的毅力。2015 年，80歲的埃德還申請了他的最後一項專利。

埃德的商業活動也不局限於科技。他喜歡買東西賣東西，這“東西”包括汽車、遊艇、飛機、房地產、島嶼等等。他的蚊子島 (Mosquito Island)，據說最終以 2500 萬美元的價格賣給了英國億萬富翁理查德·布蘭森 (Richard Branson)。

也可以說，埃德的玩具還不限於飛機和電腦，諸如汽車、房地產、專利、公司……，都是他酷愛的人生玩具。

不過，就學術興趣而言，埃德最初的關注點是物理學，最後是計算和人工智能。因此，1968 年，弗雷德金重返學術界，開始在MIT擔任正教授，從 1971 年到 1974 年，擔任麻省理工學院 MAC 項目的主任。

03 宇宙視作大電腦

埃德是一位打破常規的科學理論家，作為數字物理學的先驅，他以非正統的觀點而聞名。正如著名的計算機學者明斯基所說，弗雷德金能藉助簡單的智力暢想來發現深層的原則。而埃德所創中最深層的思想，是他的“數字物理學”。

他的數字物理學，實際上是一種泛計算主義，用通俗語言來說，就是認為整個宇宙實際上可以被視為一台巨大的計算機。泛計算主義者認為，生物可以簡化為化學，化學又能簡化為物理，物理最後簡化為信息的計算。因此，弗雷德金推論下去便得到：物理現實中的一切都必須有數字信息表示，所有變化都是數字信息過程的結果。

數字物理的名稱是他使用的，但他不是第一個提出泛計算主義的人。早期計算機先驅，德國工程師楚澤在他1969年出版的《計算空間》一書中便提出，宇宙可以被視為經典的數字蜂窩自動機。

圖4 數字物理學認為宇宙是個大計算機

宇宙是一個計算機嗎？因為難以證實或證偽，類似弗雷德金“數字物理”一類的泛計算主義並沒有成為科學思想，或科學哲學中的主流，但也得到了一些著名科學家的支持。包括荷蘭物理學諾貝爾獎獲得者胡夫特（Gerard 't Hooft）和美國物理學家約翰·惠勒在內，惠勒名言“一切皆比特”的說法，便是該類思想的精闢表達。

埃德認為，計算概念可能是比傳統的微分方程更好的描述物理學的方法，他認為DNA 作為遺傳的基本組成部分，是“數字編碼信息的一個很好的例子”。比如，像老鼠這樣普通的生物，“也是一個龐大而複雜的信息過程。”

弗雷德金更進一步從數學角度得出結論，宇宙是一個“細胞自動機”。細胞自動機是一種用服從簡單規則的“元胞”之演化來模擬物理過程的離散數學模型。最早由馮諾依曼提出，最著名的例子是1970年，英國數學家康威（Conway）的生命遊戲。細胞自動機定義了一組狀態翻轉的規則，埃德等相信：隨着時間的推移，這些簡單的規則可以產生宇宙的所有複雜性 - 甚至生命。

近年來，將細胞自動機研究到極致的，是英國計算機科學家斯蒂芬·沃爾夫勒姆（Stephen Wolfram）2002年出版的《新科學》一書。埃德對此書的反應是：“沃爾夫勒姆是第一個相信這些東西的重要人物，我一直很孤獨。”，顯然，埃德有種找到知己的欣喜，從此兩人成為好友，頻繁通信，共同研究細胞自動機。

不過，大多數物理學家並不在意埃德這項思想上的創舉。例如，《科學美國人》書評人菲利普·莫里森（Philip Morrison）說：“假如弗雷德金是賣奶酪的，他就會告訴你宇宙中所有一切都是奶酪做的。但他碰巧是個計算機科學家，所以他就告訴你宇宙是台計算機。”，事實上，埃德本人對此也大致認同，他自知缺乏典型的物理學教育，這在一定程度上使他形成了有趣而獨特的觀點。

04 量子計算探可逆

埃德一生傳奇色彩濃厚，探索的領域眾多，很多重要領域的開拓都跟他有關，不過，我們介紹了老半天還沒說到他對AI及量子計算的主要貢獻。

先說說他對人工智能領域的貢獻吧，埃德自己就是早期國際象棋處理系統的開發者。如今，人人都知道“深藍”計算機於1997 年擊敗了國際象棋世界冠軍加里·卡斯帕羅夫，但卻很少人知道這背後的推手包括了埃德。那是因為他賺了錢成為了百萬富翁後，於 1980 年創建了一個弗雷德金獎，向任何能夠開發第一個計算機程序並贏得世界象棋冠軍的人頒發10 萬美元的獎金。埃德當時表示：“我毫不懷疑計算機最終會擊敗衛冕世界國際象棋冠軍。”“問題是何時？”

弗雷德金獎的得主就是1997 年IBM 的程序員團隊，他們因此而獲得了六位數的獎金。

埃德終生關注AI的進展，這固然也與他“數字物理”的想法有關。當他老年時被問及人生的意義是什麼時，弗雷德金說道：“我們的使命就是創造人工智能，這是進化的下一步。”

埃德對量子計算的貢獻，從他與費曼的學術交往可見一斑。

弗雷德金被MIT正式聘為教授，是他學術生涯的一大成就，但他對此卻很快地感到了厭倦。因此， 1974 年他到加州理工學院，與費曼一起度過了一年。協議是埃德將教授費曼計算，而費曼將教授埃德量子物理學。

通過向費曼學習，埃德逐漸了解了量子物理，但他並不相信這個理論。因為他有他自己的“數字物理”，認為宇宙中的萬物都是由離散的數字單元構成的，而量子論與他的“宇宙是個計算機”的哲學思想相衝突。

費曼呢？從埃德也學到不少計算機的知識。費曼對埃德的評價頗高，認為他優秀而具有獨創性：“如果誰能找出全新的且富有成果的思考物理學的方式，那一定是弗雷德金。”

不過，費曼仍然是傳統物理學家，他當然不相信埃德“數字物理”那一套。並且費曼當時並不認為計算和物理之間存在實質的聯繫，他認為有意義的只是使用計算機來進行物理中的計算。因此，當埃德希望費曼在 1981 年的會議上發表主題演講時，他最初拒絕了。不過後來，埃德答應費曼他可以談論任何他想談論的內容，費曼才欣然接受，並在詳細的演講中提出了利用量子效應本身進行模擬計算的方法。

費曼當初沒有為會議準備正式論文，但埃德一名研究生記錄了費曼在會上的講話，並將其以“用計算機模擬物理”為標題，發表在《國際理論物理學雜誌》上。這使得費曼的MIT演講廣為人知。

如上所述，沒有埃德的努力，就沒有費曼的重磅MIT演講，就難有那次“費曼開啟量子計算”的劃時代會議。這是埃德對量子計算的貢獻之一。

埃德對量子計算實質上的貢獻是對“可逆計算”的早期研究。前面我們提到過這點：當年人們認為在經典計算中不可能實現可逆計算，因為這有可能違反熱力學中的熵增加原理，但埃德仍然繼續鑽研，提出了弗雷德金門，這就是後來計算界人士較熟悉的托弗利門（toffoli gates）的前身。

圖5 2020年，85歲的埃德在卡內基梅隆大學作關於可逆經典計算的主題演講

弗雷德金門是量子計算中的重要概念，因為量子計算就是一種可逆計算，這些概念也與其他幾位先驅人物的工作有關。為了完整性，我們將在下一次的文章中介紹。

主要資料來源：StephenWolfram，“Remembering the Improbable Life of Ed Fredkin (1934–2023) and His World of Ideas and Stories”

（本文於3/4/2024首次發布於微信公眾號“量子沙龍”）