《科学前沿与哲学第7讲.ppt

第7讲 认知科学哲学与系统哲学 有一种比海洋更大的景象，这便是天空。 有一种比天空更大的景象，这便是人的内心活动。（雨果） DNA生物计算机 DNA生物计算机是美国南加州大学阿德拉曼博士1994年提出的奇思妙想，它通过控制DNA分子间的生化反应来完成运算。但目前流行的DNA计算技术都必须将DNA溶于试管液体中。这种电脑由一堆装着有机液体的试管组成，很是笨拙。 光子计算机 光子计算机和传统硅芯片计算机的差异在于用光子来代替电子，进行运算和存储。它用不同波长的光来代表不同的数据，可快速完成复杂的计算工作。然而要想造出光子计算机，需要开发出可用一条光束控制另一条光束变化的光学晶体管。现有的光学晶体管庞大而笨拙，用其造成台式电脑，将有一辆汽车那么大。因此，短期内光子计算机达到实用很困难。 经典计算机的抽象数学模型 经典计算机就是一个通用图灵机，通用图灵机是计算机的抽象数学模型，它由两部分构成： 1.具有无限多个存储单元的记录带。每个存储单元的内容的变化是有限的，通常是“0”和“1”来表示。 2.具有有限状态的读写头。每步操作中读写头可以在记录带上左移，右移一格或者不动。图灵机在操作过程中读写头根据其状态和当前记录单元的内容，按照既定规则改变其状态和存储单元的内容，并决定下一步读写头移动的方向。 量子计算机的构造及实验方案 正如经典计算机建立在通用图灵机基础之上，量子计算机亦可建立在量子图灵机基础上。 量子图灵机可类比于经典计算机的概率运算。上面提到的通用图灵机的操作是完全确定性的，用q代表当前读写头的状态，s代表当前存储单元内容，d取值为L,R,N,分别代表读写头左移、右移或不动，则在确定性算法中，当q,s给定时，下一步的状态q，s及读写头的运动d完全确定。 概率图灵机：我们也可以考虑概率算法，即当q,s给定时，图灵机以一定的概率变换到状态q,s及实行运动d。概率函数为取值[0,1]的实数，它完全决定了概率图灵机的性质。 经典计算机理论证明，对解决某些问题，概率算法比确定性算法更为有效。 量子计算机的构造及实验方案 量子图灵机非常类似于上面描述的经典概率图灵机，现在q,s,q,s相应地变成了量子态，而概率函数则变成了取值为复数的概率振幅函数。 量子计算机可以等效为一个量子图灵机。但量子图灵机是一个抽象的数学模型，如何在物理上构造出量子计算机呢？ 理论上已证明，量子图灵机可以等价为一个量子逻辑电路，因此可以通过一些量子逻辑门的组合来构成量子计算机。量子逻辑门按其输入比特的个数可分为单比特、二比特、及三比特逻辑门等。??? 量子信息的耗散 但是，量子计算机的发展也存在不少因难。目前国际上量子计算机研制的四大技术难关是：量子隐性远程传态测量中的波包塌缩；多自由度系统环境中小系统的量子耗散；量子退相干效应；量子固体电路如何在常态（常温、常压等）中运行量子态。 量子信息的抗干扰机制 其中的多自由度系统环境中小系统的量子耗散，直接影响量子计算机的正确读数。因为在读取的瞬间表示信息的原子状态会发生变化，从而造成各种失真。为了克服这一难点，科学家们发明了一种读取方法——核磁共振技术。 我们通过给粒子加一个数值固定的外磁场，因它们有不同的极化方向和自旋取向，从而能够在磁场中以某种特定状态存在，如果在此基础上在加一个交变电场，改变频率便可有效控制粒子的运动，使之一种运动形式代表一个数据。 量子计算机有光明未来吗？ 而对于量子固体电路如何在常态（常温、常压等）中运行量子态。现在我们可以通过必威体育精装版的原子芯片技术，利用在硅片上刻蚀金属导线。当其通过电流是在其100微米上形成磁势阱，从而形成BEC（波色—爱因斯坦凝聚 ）。在常温下形成量子态。 现在，用原子实现的量子计算机只有5个q-bit，放在一个试管中而且配备有庞大的外围设备，只能做1+1=2的简单运算，正如Bennett教授所说，“现在的量子计算机只是一个玩具，真正做到有实用价值的也许是5年，10年，甚至是50年以后”。 二. 认知科学的发展 在1943年的《数学物理学通报》中，麦卡洛克和皮茨发表了一系列把逻辑应用于生物学的论文，其中最重要的是“神经活动内在概念的逻辑演算”。他们提出了以下物理学概念： （1）神经元活动是一个“有或无”的过程； （2）为了在任何时刻刺激一个神经元，在潜伏的附加期内必须有一定数目的突触受到刺激，而这一数目与这个神经元以前的活动和位置有关； （3）神经系统内唯一有效的延迟是突触延迟； （4）任一抑制性突触的活动都完全阻止了那一时刻的神经元的刺激； （5）网的结构不随时间变化。 神经元学习（1949） 1949年，赫伯（1904-1985）出版了《行为的组织：一种神经心理理论》，提出了以下假设： “当细胞i的轴