Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки - Сет Ллойд

Первое явное описание Вселенной как компьютера я нашел в замечательном научно-фантастическом рассказе Айзека Азимова «Последний вопрос», написанном в 1956 г. В этом рассказе люди создают серию все более и более мощных аналоговых компьютеров, чтобы исследовать сначала свою галактику, а потом и другие галактики. (В одной сетевой пародии на этот рассказ компьютер, который Азимов назвал Мультиваком, переименовали в Google.)

В той части рассказа, где действие происходит в 2061 г., персонажи Лупов и Аделл, «слуги» Мультивака, спорят о будущем Вселенной и решают спросить компьютер, будет ли существовать человечество через десятки миллиардов лет, когда все звезды завершат свое горение. Лупов говорит:

– Все звезды родились в изначальном космическом взрыве, что бы это ни было, и кончить свой путь они должны практически одновременно… Возьмем триллион лет и что увидим? Мрак, максимальный уровень энтропии, тепловая смерть…

Теперь настал черед Аделла не соглашаться.

– А мы со временем что-нибудь придумаем, чтобы все восстановить.

– Никогда.

– Почему? Когда-нибудь.

– Никогда!

– Спроси Мультивака.

– Сам спроси. Предлагаю пари на пять долларов, что это невозможно.

Аделл был пьян уже настолько, что принял пари. В то же время он был еще достаточно трезв для того, чтобы составить необходимую последовательность символов и операторов, которая в переводе на человеческий язык была бы эквивалентна вопросу: «Сможет ли человечество однажды без чистого расхода энергии снова заставить Солнце сиять, когда оно начнет умирать от старости?» Или, формулируя короче: «Как уменьшить общее количество энтропии в объеме всей Вселенной?»

Мультивак скушал вопрос и стал глух и нем. Огоньки на пультах и панелях перестали мигать, затихло привычное щелканье реле. Мультивак погрузился в глубокое раздумье. Затем, когда изрядно струхнувшие служители уже не могли дальше сдерживать дыхание, внезапно ожил телетайп, подключенный к этой части Мультивака. Напечатано было пять слов: «ДАННЫХ НЕДОСТАТОЧНО ДЛЯ ОСМЫСЛЕННОГО ОТВЕТА»[32].

В рассказе жизнь продолжается. Люди исследуют галактику, потом другие галактики, потом становятся бессмертными (в конце концов, это научная фантастика), следующие версии Мультивака становятся все более мощными, в конечном счете пронизывая всю ткань Вселенной. Люди продолжают задавать компьютеру тот же вопрос – вопрос о том, как обратить второе начало термодинамики, и компьютер дает все тот же ответ. Наконец, когда весь человеческий разум вместе со всем остальным содержимым Вселенной оказывается включенным в окончательное воплощение Мультивака, универсальный компьютер AC наконец понимает, о чем его спрашивали на протяжении миллиардов лет, и говорит: «ДА БУДЕТ СВЕТ!»

Обратите внимание, в рассказе Азимова Вселенная превращается в компьютер постепенно, она не является компьютером с самого начала. Нас же интересует, как Вселенная стала вычислять с самого начала. Связи между вычислением и физикой в начале 1960-х гг. изучал Рольф Ландауэр из IBM. Идею о том, что вычисления могут происходить в соответствии с фундаментальным свойством законов физики сохранять информацию, выдвинули в 1970-х гг. Чарльз Беннетт из IBM, а также Эдвард Фредкин, Томмазо Тоффоли и Норман Марголюс из Массачусетского технологического института. Идею о том, что Вселенная может быть своего рода компьютером, независимо друг от друга предложили в 1960-х гг. Фредкин и Конрад Цузе – первый человек, который построил современный электронный компьютер. Фредкин и Цузе предположили, что Вселенная может быть чем-то вроде классического компьютера, так называемым клеточным автоматом, состоящим из регулярного массива битов, взаимодействующих со своими соседями. Позже идеи Фредкина и Цузе развивал и углублял Стивен Вольфрам.

Идея использовать клеточные автоматы как основу для теории Вселенной весьма привлекательна. Проблема этого подхода состоит в том, что классические компьютеры скверно воспроизводят свойства квантов, например запутанность. Более того, как мы отмечали, чтобы смоделировать крошечный квантово-механический фрагмент Вселенной, потребовался бы классический компьютер размером с саму Вселенную. Поэтому так трудно представить, чтобы Вселенная могла оказаться классическим компьютером, наподобие клеточного автомата. Если она действительно такова, то огромная часть ее вычислительного аппарата недоступна наблюдению.

Если мы знакомы с квантовой механикой и квантовыми вычислениями, то на удивление легко определить, какой объем вычислений может выполнять любая физическая система. Начнем с того, что все физические системы содержат информацию. Рассмотрим электрон, который может быть найден в одном из двух мест, «здесь» или «там». Электрон, который может быть или «здесь», или «там», хранит один бит информации. (Как сказал Рольф Ландауэр, «информация – величина физическая».) Когда электрон перемещается отсюда туда, его бит инвертируется. Другими словами, всякий раз, когда физическая система изменяет свое состояние, – всякий раз, когда что-то происходит, – информация, которую хранила эта система, преобразуется и обрабатывается. (Обработка информации – тоже физический процесс.)

Тем, где могут находиться электроны и как они перемещаются отсюда туда, управляют законы физики. Законы физики определяют, сколько информации может содержать та или иная физическая система и как быстро эта информация может быть обработана. Физика устанавливает окончательный предел мощности компьютеров. В статье «Абсолютные физические пределы вычислений» (Ultimate Physical Limits to Computation) я показал, что вычислительная мощность любой физической системы может быть подсчитана как функция количества доступной системе энергии, вместе с размером этой системы{12}. В качестве примера я применил эти пределы, чтобы определить максимальную вычислительную мощность килограмма вещества, ограниченного литровым объемом. Я представил себе ноутбук, который весит примерно килограмм и занимает примерно литр пространства. Этот портативный компьютер весом в один килограмм и объемом в один литр я назвал «абсолютным ноутбуком». В следующий раз, когда вы решите купить новый ноутбук, сначала сравните его с абсолютным.

Какова мощность абсолютного ноутбука? Первое фундаментальное ограничение вычислительных характеристик связано с энергией. Энергия ограничивает скорость. Например, рассмотрим наш однобитовый электрон, который перемещается отсюда туда. Чем больше энергии у электрона, тем быстрее он может выполнить перемещение и тем быстрее он может инвертировать свой бит.

«Абсолютный ноутбук» – это компьютер массой один килограмм и объемом один литр, где каждая элементарная частица используется для целей вычисления. Абсолютный ноутбук может выполнить десять миллионов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов (1052) логических операций в секунду с десятью тысячами миллиардов миллиардов миллиардов (1031) битов.