Rytojaus kompiuteris, vakar

Beveik 50 fizikų ir kompiuterių mokslininkų susirinko į istorinę 1981 m. konferenciją Endicott House. (Slinkite žemyn, kad pamatytumėte jų vardus.) CHARLIE BENNETT / IBM

Kvantinis skaičiavimas, kaip mes žinome, prasidėjo prieš 40 metų šį pavasarį pirmojoje skaičiavimo fizikos konferencijoje, kurią MIT Endicott namuose organizavo MIT ir IBM ir kurioje dalyvavo beveik 50 tyrėjų iš skaičiavimo ir fizikos – dvi grupės, kurios retai trindavo pečius.

Dvidešimt metų anksčiau, 1961 m., IBM tyrinėtojas Rolfas Landaueris atrado esminį ryšį tarp šių dviejų sričių: jis įrodė, kad kiekvieną kartą, kai kompiuteris ištrina šiek tiek informacijos, išsiskiria mažytė šilumos dalis, atitinkanti entropijos padidėjimą. sistema. 1972 m. Landaueris pasamdė teorinį kompiuterių mokslininką Charlie Bennettą, kuris parodė, kad entropijos padidėjimo galima išvengti naudojant kompiuterį, kuris skaičiavimus atlieka grįžtamuoju būdu. Įdomu tai, kad Edas Fredkinas, MIT profesorius, kartu su Landaueriu rėmęs Endicott konferenciją, padarė tokią pačią išvadą savarankiškai, nepaisant to, kad niekada nebuvo įgijęs net bakalauro laipsnio. Iš tiesų, daugumoje kvantinio skaičiavimo atsiradimo istorijos perpasakojimų neatsižvelgiama į pagrindinį Fredkino vaidmenį.

Neįprasta Fredkino karjera prasidėjo 1951 m., kai jis įstojo į Kalifornijos technologijos institutą. Nors puikiai išlaikė stojamuosius egzaminus, jis nesidomėjo namų darbais ir turėjo dirbti du darbus, kad susimokėtų už mokslą. Blogai mokydamasis mokykloje ir pritrūkęs pinigų, 1952 m. jis pasitraukė ir įstojo į oro pajėgas, kad nebūtų pašauktas į Korėjos karą.

Po kelerių metų oro pajėgos nusiuntė Fredkiną į MIT Linkolno laboratoriją, kad padėtų išbandyti kuriamą SAGE oro gynybos sistemą. Jis išmoko programuoti kompiuterius ir netrukus tapo vienu geriausių programuotojų pasaulyje – grupe, kurios tuo metu tikriausiai buvo tik apie 500.

1958 m., palikęs oro pajėgas, Fredkinas dirbo Bolt, Beranek ir Newman (BBN), kuriuos įtikino įsigyti pirmuosius du kompiuterius ir kur susipažino su MIT profesoriais Marvinu Minsky ir John McCarthy, kurie kartu buvo beveik įkūrę. dirbtinio intelekto srityje. 1962 m. jis lydėjo juos į Caltech, kur McCarthy skaitė kalbą. Ten Minskis ir Fredkinas susitiko su Richardu Feynmanu '39 m., kuris 1965 m. laimės Nobelio fizikos premiją už darbą kvantinės elektrodinamikos srityje. Feynmanas parodė jiems ranka rašytą sąsiuvinį, užpildytą skaičiavimais, ir metė iššūkį sukurti programinę įrangą, kuri galėtų atlikti simbolinius matematinius skaičiavimus.

Fredkinas paliko BBN 1962 m. ir įkūrė Information International Incorporated – vieną pirmųjų pasaulyje DI startuolių. Kai 1968 m. „Triple-I“ išėjo į viešumą ir Fredkinas tapo milijonieriumi, Minskis įdarbino jį savo dirbtinio intelekto laboratorijos MIT direktoriaus pavaduotoju. Po trejų metų Fredkinas tapo projekto MAC direktoriumi, MIT kompiuterių mokslo ir dirbtinio intelekto laboratorijos (CSAIL) pirmtaku. MIT padarė jį tikruoju profesoriumi, nepaisant jo stokos akademinių įgaliojimų. Tačiau Fredkinas greitai ir nuo to pavargo, todėl 1974 m. jis grįžo į Caltech, kad praleistų metus su Feynmanu. Buvo susitarta, kad Fredkinas mokys Feynmaną skaičiavimo, o Feynmanas – Fredkiną kvantinės fizikos.

Fredkinas suprato kvantinę fiziką, bet netikėjo. Jis manė, kad tikrovės audinys negali būti pagrįstas tuo, ką būtų galima apibūdinti nuolatiniu matavimu. Kvantinė mechanika teigia, kad dydžiai, tokie kaip krūvis ir masė, yra kvantuojami – sudaryti iš atskirų, skaičiuojamų vienetų, kurių negalima skaidyti, tačiau tokie dalykai kaip erdvės, laiko ir bangų lygtys iš esmės yra tolydžios. Priešingai, Fredkinas tikėjo (ir vis dar tiki) su beveik religiniu įsitikinimu, kad erdvė ir laikas taip pat turi būti kvantuojami, todėl pagrindinis tikrovės elementas yra skaičiavimas. Realybė turi būti kompiuteris! 1978 m. Fredkinas skaitė MIT magistrantūros kursą, pavadintą „Skaitmeninė fizika“, kuriame buvo nagrinėjami būdai, kaip šiuolaikinę fiziką perdirbti pagal tokius skaitmeninius principus.

Tačiau Feynmanas liko neįtikintas, kad tarp skaičiavimo ir fizikos yra prasmingų ryšių, ne tik naudojant kompiuterius algoritmams apskaičiuoti. Taigi, kai Fredkinas paprašė savo draugo pasakyti pagrindinį pranešimą 1981 m. konferencijoje, jis iš pradžių atsisakė. Tačiau kai jam buvo pažadėta, kad jis gali kalbėti apie tai, ką nori, Feynmanas persigalvojo ir išdėstė savo idėjas, kaip susieti du laukus išsamiame pokalbyje, kuriame buvo pasiūlytas būdas atlikti skaičiavimus naudojant pačius kvantinius efektus.

Feynmanas iš pradžių nebuvo įsitikinęs, kad tarp skaičiavimo ir fizikos yra prasmingų ryšių.

Feynmanas paaiškino, kad kompiuteriai yra prastai įrengti, kad padėtų imituoti ir taip numatyti dalelių fizikos eksperimentų rezultatus – tai tebėra tiesa ir šiandien. Galų gale, šiuolaikiniai kompiuteriai yra deterministiniai: suteikite jiems tą pačią problemą, ir jie sugalvos tą patį sprendimą. Kita vertus, fizika yra tikimybinė. Taigi, didėjant dalelių skaičiui modeliuojant, reikia eksponentiškai ilgiau atlikti galimų išėjimų skaičiavimus. Feynmanas tvirtino, kad būdas judėti į priekį buvo sukurti kompiuterį, kuris atliktų tikimybinius skaičiavimus naudodamas kvantinę mechaniką.

Feynmanas neparengė konferencijai oficialaus pranešimo, tačiau padedant 87 m. doktorantui Normui Margolusui, Fredkino grupės magistrantui, kuris įrašė ir perrašė tai, ką jis ten pasakė, jo pranešimas buvo paskelbtas Tarptautiniame teorinės fizikos žurnale. pavadinimu Fizikos modeliavimas kompiuteriais. Tai kartu su Fredkino straipsniu „Konservatyvioji logika“, kurį parašė MIT mokslininkas Tommaso Toffoli (ir iš dalies pagrįstas Williamo Silverio '75 m., SM '80) skaitmeninės fizikos kursiniu darbu, sudarė besiformuojančios srities pagrindą.

1983 m. Bennettas ir Monrealio universiteto profesorius Gillesas Brassardas išrado tai, kas dabar vadinama kvantine kriptografija – būdą naudoti kvantinę mechaniką informacijai siųsti ir užkirsti kelią pasiklausymui. Tuo tarpu Feynmanas toliau plėtojo savo idėją, kaip paaiškino pokalbyje pavadinimu Maži kompiuteriai, paklūstantys kvantiniams mechaniniams dėsniams, kurį jis skaitė tiek Los Alamos nacionalinėje laboratorijoje, tiek 1984 m. vykusioje optikos konferencijoje.

Vis dėlto kvantiniai kompiuteriai tikriausiai būtų išlikę intelektualiu žaidimu, jei ne 1985 m. mokslų daktaras Peteris Willistonas Šoras, kuris 1994 m. sugalvojo metodą, kuris galėtų panaudoti vieną iš dar nesukurtų Feynmano kvantinių kompiuterių ir tam tikrą protingą skaičių teoriją. greitai faktorius didelis skaičius. Tai sulaukė vyriausybių ir korporacijų susidomėjimo, nes beveik visų šiuolaikinių kriptografinių sistemų saugumas priklauso nuo to, kad lengva padauginti du labai didelius pirminius skaičius, bet nepaprastai sunku suskaidyti produktą atgal į pirminius veiksnius. Naudojant Šoro algoritmą (kaip jis dabar vadinamas) ir pakankamai didelį kvantinį kompiuterį, kuriame jis būtų paleistas, ši užduotis taptų paprasta, o didžioji dalis pasaulio konfidencialių duomenų, judančių radijo bangomis ir internetu, galėtų būti lengvai iššifruojami, kai tik bus perimti.

1981 m. konferencijoje buvo ne tik pagrindiniai šios srities straipsniai, bet ir kai kurių didžiausių 1981 m. gyvų mąstytojų kompiuterijos ir fizikos srityje nuotrauka. Nuotraukoje Endicott House pievelėje yra Feynmanas ir Fredkinas; Freemanas Dysonas, vienas talentingiausių XX amžiaus fizikų; Konradas Zuse, vokiečių inžinierius, 1941 m. sukūręs pirmąjį pasaulyje visiškai programuojamą automatinį skaitmeninį kompiuterį; Hansas Moravecas, ką tik sukūręs robotą, galintį naršyti matant; Danny Hillis '78, SM '81, PhD '88, kuris vėliau įkūrė Thinking Machines ir pasamdė Feynmaną kaip pirmąjį jos darbuotoją; ir daugelis kitų, kurie dabar yra buitiniai vardai (bent jau kompiuterių mokslininkų ir fizikų namuose). Tai primena garsiąją 1927 m. Penktosios Solvay konferencijos dėl elektronų ir fotonų nuotrauką, kurioje pavaizduoti Albertas Einšteinas, Nielsas Bohras, Pauli, Heisenbergas ir kiti pagrindiniai besiformuojančios kvantinės mechanikos srities veikėjai.

Deja, nuotraukoje nėra Charlie Bennetto: jis padarė nuotrauką.

Physics of Computation Conference, Endicott House, MIT, 1981 m. gegužės 6–8 d.
1 Freemanas Dysonas, 2 Gregory'is Chaitinas, 3 Jamesas Crutchfieldas, 4 Normanas Packardas, 5 Panosas Ligomenidesas, 6 Jerome'as Rothsteinas, 7 Carlas Hewittas, 8 Normanas Hardy, 9 Edwardas Fredkinas, 10 Tomas Toffoli, 11 Rolfas Landaueris, 12 Johnas Wheeleris. Kantoras, 14 metų Davidas Leinweberis, 15 metų Konradas Zuse'as, 16 metų Bernardas Zeigleris, 17 metų Carlas Adam Petri, 18 metų Anatolas Holtas, 19 metų Rolandas Vollmaras, 20 metų Hansas Bremermanas, 21 metų Donaldas Greenspanas, 22 metų Markusas Buettikeris, 23 metų Otto Floberthas, 24 metų Robertas Suu, 25 metų Robertas Su. , 26 metai Stand Kugell, 27 Billas Gosperas, 28 Lutzas Priese, 29 Madhu Gupta, 30 Paulas Benioffas, 31 Hansas Moravecas, 32 Ianas Richardsas, 33 Marian Pour-El, 34 Danny Hillis, 35 Arthuras Burksas, 36 Johnas Cocke'as, 37 , 38 m. Richardas Feynmanas, 39 m. Laurie Lingham, 40 PS Thiagarajan, 41 Marin Hassner, 42 Geraldas Vichnaicas, 43 Leonidas Levinas, 44 Levas Levitinas, 45 Peteris Gačas, 46 Danas Greenbergeris. (Nuotrauka: Charlesas Bennettas)

Redaktoriaus pastaba: Simsonas Garfinkelis atskleidė šią istoriją tyrinėdamas savo knygą Įstatymas ir politika kvantiniam amžiui , bendraautorius su Chrisu Hoofnagle'u (pateikiama iš Cambridge University Press).

paslėpti