Komputer jutra, wczoraj

Prawie 50 fizyków i informatyków zgromadziło się na historycznej konferencji w 1981 roku w Endicott House. (Przewiń w dół, aby zobaczyć ich nazwiska.) CHARLIE BENNETT / IBM

Obliczenia kwantowe, jakie znamy, rozpoczęły się 40 lat temu tej wiosny na pierwszej konferencji Physics of Computation, zorganizowanej w MIT’s Endicott House przez MIT i IBM, w której wzięło udział prawie 50 naukowców z informatyki i fizyki – dwie grupy, które rzadko rzucały się w oczy.

Dwadzieścia lat wcześniej, w 1961 roku, naukowiec IBM, Rolf Landauer, znalazł fundamentalne powiązanie między tymi dwoma polami: udowodnił, że za każdym razem, gdy komputer wymazuje część informacji, wytwarzana jest maleńka część ciepła, odpowiadająca wzrostowi entropii w system. W 1972 Landauer zatrudnił teoretyka informatyka Charliego Bennetta, który wykazał, że wzrostu entropii można uniknąć dzięki komputerowi, który wykonuje swoje obliczenia w sposób odwracalny. Co ciekawe, Ed Fredkin, profesor MIT, który wraz z Landauer był współsponsorem Konferencji Endicott, doszedł do tego samego wniosku niezależnie, mimo że nigdy nie uzyskał nawet stopnia licencjata. Rzeczywiście, większość opowieści o początkach komputerów kwantowych pomija kluczową rolę Fredkina.

Niezwykła kariera Fredkina rozpoczęła się, gdy w 1951 roku zapisał się do Kalifornijskiego Instytutu Technologii. Choć znakomicie zdał egzaminy wstępne, nie był zainteresowany pracą domową – i musiał pracować na dwóch etatach, aby opłacić czesne. Słabo radził sobie w szkole i kończyły mu się pieniądze, wycofał się w 1952 roku i zaciągnął do Sił Powietrznych, aby uniknąć powołania do wojny koreańskiej.

Kilka lat później Siły Powietrzne wysłały Fredkina do MIT Lincoln Laboratory, aby pomógł przetestować powstający system obrony powietrznej SAGE. Nauczył się programowania komputerowego i wkrótce stał się jednym z najlepszych programistów na świecie – grupą, która prawdopodobnie liczyła wówczas tylko około 500 osób.

Po opuszczeniu Sił Powietrznych w 1958, Fredkin pracował w Bolt, Beranek i Newman (BBN), które przekonał do zakupu pierwszych dwóch komputerów i gdzie poznał profesorów MIT Marvina Minsky'ego i Johna McCarthy'ego, którzy dziedzina sztucznej inteligencji. W 1962 towarzyszył im do Caltech, gdzie McCarthy wygłaszał wykład. Tam Minsky i Fredkin spotkali się z Richardem Feynmanem ’39, który w 1965 otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za pracę nad elektrodynamiką kwantową. Feynman pokazał im odręcznie napisany notatnik wypełniony obliczeniami i polecił im opracować oprogramowanie, które mogłoby wykonywać symboliczne obliczenia matematyczne.

Fredkin opuścił BBN w 1962 roku i założył Information International Incorporated, jeden z pierwszych na świecie startupów AI. Kiedy Triple-I wszedł na giełdę w 1968 roku, a Fredkin został milionerem, Minsky zwerbował go, aby został zastępcą dyrektora jego AI Lab w MIT. Trzy lata później Fredkin został dyrektorem Project MAC, prekursora Laboratorium Informatyki i Sztucznej Inteligencji MIT (CSAIL). MIT uczynił go profesorem zwyczajnym, pomimo braku referencji akademickich. Ale Fredkin wkrótce też się tym zmęczył, więc w 1974 wrócił do Caltech, aby spędzić rok z Feynmanem. Umowa polegała na tym, że Fredkin będzie nauczał obliczeń Feynmana, a Feynman będzie uczyć fizyki kwantowej Fredkina.

Fredkin zaczął rozumieć fizykę kwantową, ale w to nie wierzył. Uważał, że tkanka rzeczywistości nie może opierać się na czymś, co można opisać ciągłym pomiarem. Mechanika kwantowa utrzymuje, że wielkości takie jak ładunek i masa są skwantowane – składają się z dyskretnych, policzalnych jednostek, których nie można podzielić – ale rzeczy takie jak przestrzeń, czas i równania falowe są zasadniczo ciągłe. Fredkin natomiast wierzył (i nadal wierzy) z niemal religijnym przekonaniem, że przestrzeń i czas również muszą być skwantowane, a zatem podstawowym budulcem rzeczywistości są obliczenia. Rzeczywistość musi być komputerem! W 1978 Fredkin prowadził na MIT kurs podyplomowy Digital Physics, który badał sposoby przerabiania współczesnej fizyki zgodnie z takimi cyfrowymi zasadami.

Feynman nie był jednak przekonany, że istnieją znaczące powiązania między obliczeniami a fizyką wykraczające poza używanie komputerów do obliczania algorytmów. Więc kiedy Fredkin poprosił swojego przyjaciela o wygłoszenie przemówienia programowego na konferencji w 1981 roku, początkowo odmówił. Kiedy obiecano mu, że będzie mógł mówić o czym tylko zechce, Feynman zmienił zdanie – i przedstawił swoje pomysły na połączenie tych dwóch pól w szczegółowej rozmowie, która zaproponowała sposób wykonywania obliczeń przy użyciu samych efektów kwantowych.

Feynman początkowo nie był przekonany, że istnieją znaczące powiązania między obliczeniami a fizyką.

Feynman wyjaśnił, że komputery są słabo wyposażone do symulowania, a tym samym przewidywania wyników eksperymentów w fizyce cząstek elementarnych – co jest nadal prawdą. W końcu współczesne komputery są deterministyczne: dają im ten sam problem, a proponują to samo rozwiązanie. Z drugiej strony fizyka jest probabilistyczna. Wraz ze wzrostem liczby cząstek w symulacji, wykonanie niezbędnych obliczeń na możliwych wynikach zajmuje wykładniczo więcej czasu. Sposobem na posunięcie się naprzód, jak twierdził Feynman, jest zbudowanie komputera wykonującego obliczenia probabilistyczne przy użyciu mechaniki kwantowej.

Feynman nie przygotował formalnego referatu na konferencję, ale z pomocą Norma Margolusa, doktora '87, absolwenta grupy Fredkina, który nagrał i przepisał to, co tam powiedział, jego przemówienie zostało opublikowane w International Journal of Theoretical Physics pod tytułem Symulacja fizyki za pomocą komputerów. To, wraz z artykułem Fredkina Conservative Logic, współautorem z naukowcem z MIT Tommaso Toffoli (i opartym częściowo na pracy semestralnej Digital Physics napisanej przez Williama Silvera ’75, SM ’80), utworzyło podstawę rodzącej się dziedziny.

W 1983 roku Bennett i Gilles Brassard, profesor na Uniwersytecie w Montrealu, wynaleźli tak zwaną kryptografię kwantową — sposób na wykorzystanie mechaniki kwantowej do wysyłania informacji, jednocześnie zapobiegając podsłuchiwaniu. W międzyczasie Feynman kontynuował rozwijanie swojego pomysłu, co zostało wyjaśnione w przemówieniu zatytułowanym Tiny Computers Obeying Quantum Mechanical Laws, które wygłosił zarówno w Los Alamos National Laboratory, jak i na konferencji poświęconej optyce w 1984 roku.

Mimo to komputery kwantowe prawdopodobnie pozostałyby intelektualną zabawką, gdyby nie dr Peter Williston Shor, dr '85, który w 1994 r. wymyślił podejście, które mogłoby wykorzystać jeden z jeszcze niezbudowanych komputerów kwantowych Feynmana i jakąś sprytną teorię liczb do szybko uwzględnij dużą liczbę. To zainteresowało rządy i korporacje, ponieważ bezpieczeństwo prawie wszystkich nowoczesnych systemów kryptograficznych zależy od tego, że łatwo jest pomnożyć dwie bardzo duże liczby pierwsze, ale niezwykle trudno jest rozbić produkt z powrotem na czynniki pierwsze. Dzięki algorytmowi Shora (tak się obecnie nazywa) i wystarczająco dużemu komputerowi kwantowemu, na którym można go uruchomić, zadanie to stałoby się proste, a większość poufnych danych na świecie przesyłanych za pośrednictwem fal radiowych i Internetu można by łatwo odszyfrować po przechwyceniu.

Konferencja z 1981 roku nie tylko dała początek przełomowym artykułom w tej dziedzinie, ale także przyniosła zdjęcie niektórych z największych myślicieli w dziedzinie informatyki i fizyki żyjących w 1981 roku. Zdjęcie zrobione na trawniku przed Endicott House, zawiera Feynmana i Fredkina; Freeman Dyson, jeden z najbardziej utalentowanych fizyków XX wieku; Konrad Zuse, niemiecki inżynier, który w 1941 roku zbudował pierwszy na świecie w pełni programowalny automatyczny komputer cyfrowy; Hans Moravec, który właśnie zbudował robota, który potrafi nawigować wzrokowo; Danny Hillis ’78, SM ’81, PhD ’88, który założył Thinking Machines i zatrudnił Feynmana jako swojego pierwszego pracownika; i wielu innych, które są obecnie znane (przynajmniej w domach informatyków i fizyków). Przypomina słynną fotografię z 1927 roku z piątej konferencji Solvaya na temat elektronów i fotonów, która przedstawia Alberta Einsteina, Nielsa Bohra, Pauliego, Heisenberga i inne czołowe postacie rodzącej się dziedziny mechaniki kwantowej.

Niestety, Charliego Bennetta nie ma na zdjęciu: to on zrobił zdjęcie.

Konferencja Physics of Computation, Endicott House, MIT, 6-8 maja 1981.
1 Freeman Dyson, 2 Gregory Chaitin, 3 James Crutchfield, 4 Norman Packard, 5 Panos Ligomenides, 6 Jerome Rothstein, 7 Carl Hewitt, 8 Norman Hardy, 9 Edward Fredkin, 10 Tom Toffoli, 11 Rolf Landauer, 12 John Wheeler, 13 Frederick Kantor, 14 David Leinweber, 15 Konrad Zuse, 16 Bernard Zeigler, 17 Carl Adam Petri, 18 Anatol Holt, 19 Roland Vollmar, 20 Hans Bremerman, 21 Donald Greenspan, 22 Markus Buettiker, 23 Otto Floberth, 24 Robert Lewis, 25 Robert Suaya , 26 Stand Kugell, 27 Bill Gosper, 28 Lutz Priese, 29 Madhu Gupta, 30 Paul Benioff, 31 Hans Moravec, 32 Ian Richards, 33 Marian Pour-El, 34 Danny Hillis, 35 Arthur Burks, 36 John Cocke, 37 George Michaels , 38 Richard Feynman, 39 Laurie Lingham, 40 PS Thiagarajan, 41 Marin Hassner, 42 Gerald Vichnaic, 43 Leonid Levin, 44 Lev Levitin, 45 Peter Gacs, 46 Dan Greenberger. (Zdjęcie dzięki uprzejmości Charlesa Bennetta)

Od redakcji: Simson Garfinkel odkrył tę historię podczas badania swojej książki Prawo i polityka w epoce kwantowej , współautorem z Chrisem Hoofnagle (nadruk z Cambridge University Press).

ukryć