Seth Lloyd programează universul. Cartea: Seth Lloyd „Programarea Universului.

Cu cărți de genul acesta, nu contează dacă sunt bine scrise sau prost scrise, înțelegi totul în ele sau pur și simplu intri mai adânc în buruieni termeni științifici- are o capacitate minunată de a inspira și de a da vieții un pic mai mult sens. Se pare că încă te trezești mecanic dimineața, faci cafea fără să deschizi ochii, mergi la muncă pentru a sorta bucăți stupide de hârtie, îți faci griji pentru o spărtură pe jachetă și alegi dureros ce să gătești pentru cină, faci o sută de mici monotone. lucruri care nu aduc absolut niciun beneficiu (la scară universală). Și undeva stau oamenii - fizicieni, chimiști, biologi, nu contează (ei bine, cei dintre ei care nu au devenit șofer de taxi din New York din disperare) - și se gândesc la lucruri care în tine, înfundate cu gânduri despre salariu, concediu și weekend, le vin în cap doar în vacanțe (sau când sunt beți). Despre originea vieții, despre viitorul Universului, despre apariția lumii pe care o vedem și o cunoaștem. Despre tot ceea ce nu aduce profit sau bani, dar dă cel puțin un sens al sensului și al utilității pentru noi, mici insecte de pe o planetă mică care se învârt în jurul unui soare obișnuit la periferia galaxie obișnuită. Și acum, se pare, și tu ești puțin implicat în asta, măcar puțin.

Puteți citi în siguranță cartea dacă ați auzit despre teoria relativității ultima dată la școală, dar singurul lucru pe care-l amintești despre entropie este că este ceva rău. Lloyd își propune mai întâi ideea unui univers computațional, apoi explică încet și foarte clar tot ceea ce este necesar pentru a înțelege ideea lui - termodinamică, mecanică cuantică, teoria informației, spune tot felul de lucruri interesante despre demonii lui Maxwell și Laplace, dublu. -experiment cu fantă cu electroni, maimuțe - dactilografe care tastează textul lui Hamlet și despre faimoasa pisică (în sfârșit, în sfârșit, am înțeles cum funcționează această sărmană pisică și ce legătură are cu ea dualismul undelor cuantice!). În același timp, Lloyd oferă să privească teoriile și conceptele fizice binecunoscute din punctul de vedere al ideii sale despre un Univers computațional: conectează energia cu informația, entropia termodinamică cu informația, o particulă cu un bit și transformă lumea din jurul nostru într-un computer cuantic imens.

Și totul pare mișto, dar este foarte neclar. Ce calculează Universul? Adnotarea spune că este propriul tău viitor. Dar Lloyd nu scrie despre asta. Dar el scrie că teoria lui poate deveni legătura mult așteptată dintre mecanica cuantică și teoria relativității. Dar cum va deveni ea această legătură? Titlul cărții menționează și un computer cuantic. Dar în carte se acordă prea puțină importanță acestui lucru, Lloyd o menționează în mod constant, vorbește despre principiul funcționării, dar nu scrie cum sunt create. Este clar, desigur, că el scrie despre teorie, că este neterminată, că computerele cuantice reale sunt încă foarte departe și nu se știe dacă vor crea deloc unul universal. Dar există încă un sentiment de nespus.

Este foarte tare scris despre ideea de a crea un computer cuantic apropo, este uimitor cum poți, printr-un simplu raționament logic, să ajungi la concluzia despre probabilitatea existenței a ceva care nu a fost încă creat; (Înțeleg că așa sunt create toate teoriile, dar la naiba! Ahh!!). Adică există o particulă, să presupunem că poartă un bit, 1 sau 0, dar, din moment ce vorbim despre o particulă, poate transporta simultan 1 și 0 (sau chiar mai mult), deci vom spune „qubit”, și deoarece Este posibilă existența unei astfel de unități cuantice de informație care poartă simultan mai multe stări, atunci este posibilă existența unui procesor cuantic care să aplice operații logice la unitățile cuantice de informație, ceea ce înseamnă că este posibilă existența a unui computer cuantic care va furniza informațiile solicitate de utilizator după procesarea unităților cuantice de informații un procesor cuantic (un elefant cuantic a murit într-o pădure cuantică și cineva cuantic a aflat despre asta, da). Explozie cerebrală!

Mi-a plăcut foarte mult și Seth Lloyd însuși, cum scrie despre el însuși cu umor și ironie, fără patos sau trăgând de pătură. Ceea ce m-a făcut de asemenea să râd a fost recenzia de pe coperta cărții, care promitea cititorului „să dobândească cunoștințe specifice, aplicabile practic”. Da, un tutorial despre masarea atomilor pentru gospodine, cum să creez un computer cuantic în garaj și întreabă-mă cum să trăiesc pentru totdeauna în condiții de creștere a entropiei.

În general, continui să triez bucățile stupide de hârtie și să mă supăr din cauza neplăcerii de pe jacheta mea și, da, cu toții suntem doar niște insecte mici și stupide inutile, dar insecte care pot gândi la scara Universului și care se străduiesc. să-l înțeleg.

„Programarea Universului. Calculatorul cuantic și viitorul științei”: non-ficțiune Alpina; Moscova; 2014

ISBN 978-5-91671-270-4, 978-5-91671-324-4

Adnotare

Fiecare atom din Univers, nu doar diferite obiecte macroscopice, este capabil să stocheze informații. Actele de interacțiune între atomi pot fi descrise ca operații logice elementare în care biții cuantici - unități elementare de informații cuantice - își schimbă valorile. Abordarea paradoxală, dar promițătoare a lui Seth Lloyd, ne permite să rezolvăm elegant problema complicației constante a Universului: chiar și un program aleatoriu și foarte scurt, atunci când este executat pe computer, poate da rezultate extrem de interesante. Universul procesează în mod constant informații - fiind un computer cuantic uriaș, își calculează constant propriul viitor. Și chiar și evenimente fundamentale precum nașterea vieții, reproducerea sexuală, apariția minții, poate și ar trebui privită ca revoluții succesive în procesarea informațiilor.

Seth Lloyd

Programarea Universului. Calculatorul cuantic și viitorul științei

Editura mulțumește Centrului cuantic din Rusia, Serghei Belousov și Viktor Orlovsky pentru sprijinul acordat în pregătirea publicației.
Traducere A. Stand

Editor I. Lisov

Editorii Centrului cuantic rusesc A. Sergeev, D. Falaleev

Manager de proiect A. Polovnikova

Corector E. Smetannikova

Dispunerea computerului M. Potașkin

Ilustrație de copertă GettyImages/Fotobank.ru
© Seth Lloyd, 2006

© Publicare în limba rusă, traducere, design. Alpina Non-Fiction LLC, 2013

* * *

Prefața autorului la ediția rusă

Îmi face plăcere să scriu această introducere specială pentru ediția rusă a cărții Programing the Universe. Aș dori să mulțumesc lui Sergei Belousov, Evgeniy Demler, Misha Lukin și tuturor colegilor de la Centrul cuantic rusesc care au ajutat să facă posibilă publicarea acestei traduceri în limba rusă. Centrul cuantic din Rusia este o nouă instituție progresivă care păstrează marea tradiție rusă a științei fundamentale. Cercetătorii centrului au adus deja contribuții importante la teoria și practica procesării informației cuantice, care este una dintre temele centrale ale cărții mele. Îl aştept cu nerăbdare pe acesta organizare stiintifica noi mari și minunate realizări științifice.

Ideea din spatele Programării Universului este că ar trebui să percepem Universul în termeni de procesare a informațiilor pe care o face la nivelul său cel mai fundamental. În descrierea fizică tradițională a Universului, cantitatea principală este energia. Recent, însă, a devenit clar că informațiile sunt la fel de importante. După cum afirmă celebra formulă a lui Einstein: E = mc², toată materia este făcută din energie. Totuși, informația determină forma pe care o ia materia și determină transformările pe care le suferă energia. În esență, Universul este un dans al învârtirilor și al sunetelor de clic, în care energia și informația sunt parteneri egali. Universul este în esență un computer gigant în care fiecare atom și fiecare particulă elementară conține biți de informații și de fiecare dată când doi atomi sau două particule se ciocnesc, acești biți își schimbă valorile. Natura computațională a universului dă naștere complexității și complexității sale: tot ceea ce poate fi calculat - tot ceea ce mintea noastră își poate imagina și dincolo - există undeva în univers.

Matematicienii și oamenii de știință ruși au scris multe pagini minunate în teoria informației. Lucrarea lui Andrei Nikolaevich Kolmogorov a fost foarte importantă pentru această carte: Kolmogorov a fost unul dintre fondatorii domeniului teoriei informației algoritmice, care afirmă că informația trebuie definită în limbajul procesării sale, adică prin calcule. Teoria complexității a lui Kolmogorov este baza naturală pentru teoriile de calcul și formarea complexității discutate în această carte. ÎN în ultima vreme Oamenii de știință ruși au adus contribuții extrem de importante la teoria informațiilor cuantice și a calculului cuantic. Mecanica cuantică este o ramură a fizicii care studiază comportamentul materiei și energiei în forma lor cea mai fundamentală. În esență, este ciudat și contraintuitiv: particulele au o corespondență sub formă de unde, iar undele sunt făcute din particule - acesta este dualismul val-particulă. Un electron poate fi în două locuri în același timp și multe lucruri care par imposibile imaginației noastre clasice se întâmplă de fapt în fiecare secundă. Universul nu este doar un computer; prin natura sa este un computer mecanic cuantic. Combinația dintre ciudățenia cuantică și procesarea informațiilor este ceea ce oferă universului stabilitatea, puterea și complexitatea acestuia.

Am avut norocul să-mi încep cariera științifică în anii 1980, într-o perioadă în care oamenii de știință ruși și sovietici au început să călătorească în străinătate după multe decenii de separare de restul lumii. Pe lângă faptul că au descoperit o comoară de informații științifice fundamentale care anterior fuseseră publicate doar în limba rusă, acești oameni de știință au insuflat discursului științific un spirit unic și minunat. În tinerețe i-am citit pe Tolstoi și Dostoievski și, prin urmare, am fost familiarizat cu bogăția discuțiilor intelectuale rusești, dar nu am mai participat niciodată la o adevărată dispută științifică rusă, când oamenii încep să vorbească cu voce ridicată, când lovesc masa cu pumnii, când pot sparge o bucată de cretă în inimă despre tablă, dar până la urmă, când problema a fost rezolvată, toată lumea redevine prietenă. Pasiune, persistență și rezolvarea prietenoasă a problemelor fundamentale - acesta este adevăratul spirit al științei! Și sper că editie ruseasca„Programarea Universului” va da naștere unei dezbateri științifice vibrante.
Preţ

Prolog

Mărul și Universul

„La început a fost o bătaie”, am început eu. Capelă mănăstire Secolul al XVII-lea, unde se studiază ocupat sisteme complexe Institutul Santa Fe a fost plin de publicul obișnuit: fizicieni, biologi, economiști și matematicieni, cu un amestec de mai mulți laureați ai Premiului Nobel. Unul dintre părinții fondatori ai astrofizicii și gravitația cuantică, John Archibald Wheeler, m-a invitat să susțin o prelegere pe tema „Everything from the Beat”. Am acceptat provocarea. Stând în fața publicului, am început să mă îndoiesc dacă merita făcut, dar nu aveam unde să mă retrag. Am luat mărul în mână.

„Lucrurile apar din informații, adică din fragmente”, am continuat, aruncând nervos un măr în aer. – Mărul acesta este un obiect bun. Mărul este adesea asociat cu informații. În primul rând, mărul este rodul cunoașterii, „al cărui gust mortal a adus moartea și toată suferința noastră pe pământ”. Conține informații despre bine și rău. Mai târziu, traiectoria unui măr în cădere a sugerat lui Newton legile universale ale gravitației, iar suprafața curbată a mărului este o metaforă pentru spațiu-timp curbat al lui Einstein. Mai aproape de subiectul nostru este că în cod genetic scris in seminte de mar, structura viitorilor mere este programata. Și încă o proprietate, nu mai puțin importantă, a mărului: conține energie liberă - calorii de energie bogată în biți care ne ajută corpul să funcționeze.” Am luat o mușcătură din măr.

„Evident că acest măr conține informații diferite tipuri. Dar cat de mult tine? Cati biti are? Am așezat mărul pe masă și m-am întors spre tablă pentru a face un calcul rapid. „Ceea ce este interesant este că numărul de biți dintr-un măr este cunoscut încă de la începutul secolului al XX-lea, când cuvântul „bit” încă nu exista. Poate părea că un măr conține un număr infinit de biți, dar nu are. De fapt, legile mecanicii cuantice, care guvernează toate sistemele fizice, spun că este necesar doar un număr finit de biți pentru a determina starea microscopică a mărului și a tuturor atomilor săi. Fiecare atom, sau mai degrabă poziția și viteza sa, conține doar câțiva biți; Fiecare spin nuclear din nucleul unui atom stochează un singur bit. Prin urmare, într-un măr există doar de câteva ori mai mulți biți decât atomi – câteva milioane de miliarde de miliarde de uni și zerouri.”

M-am întors către public. Nu era niciun măr pe masă. Wow! Cine a luat-o? Wheeler s-a uitat la mine senin. Chipul lui Murray Gell-Mann laureat Nobel, inventatorul quarcului și unul dintre cei mai importanți fizicieni ai lumii, nu a arătat nicio emoție.

„Nu pot continua fără un măr. Fără obiect, fără bucăți, am spus și m-am așezat.

Greva foamei a durat doar câteva clipe: inginerul din centru de cercetare Bell Labs mi-a dat un măr. L-am luat și l-am ridicat deasupra capului meu, provocând pe oricine să mai facă o nouă încercare de furt. A fost greșeala mea. Dar apoi mi s-a părut că totul merge bine.

Am continuat: „În ceea ce privește cantitatea de informații pe care biții o pot stoca, toți sunt egali. Bit este prescurtare pentru cifră binară(număr binar) – poate fi într-una din cele două stări distincte: 0 sau 1, da sau nu, „capete” sau „cozi”. Orice sistem fizic în care există două dintre aceste stări conține un bit. Un sistem cu mai multe stări conține mai mulți biți. Un sistem cu patru stări, cum ar fi 00, 01, 10, 11, conține doi biți; un sistem în care există opt stări, de exemplu 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111, conține trei biți etc. După cum am spus, conform legilor mecanicii cuantice, orice sistem fizic limitat de un volum finit de spațiu și o cantitate finită de energie, are un număr finit de stări distinse și, prin urmare, conține un număr finit de biți. Toate sistemele fizice conțin informații. După cum spunea Rolf Landauer de la IBM, „informația este o cantitate fizică”.

Aici, Gell-Mann m-a întrerupt: „Dar sunt toate părțile cu adevărat egale? Lăsați un bit să ne spună dacă o ipoteză matematică faimoasă, dar nedovedită, este adevărată, iar bitul este obținut ca urmare a unei aruncări aleatorii de monede. Cred că unele bătăi sunt mai importante decât altele.”

am fost de acord. Diferiți biți joacă roluri diferite în Univers. Biții pot conține aceeași cantitate de informații, dar calitatea și importanța acestor informații variază de la bit la bit. Semnificația unui răspuns „da” depinde de întrebarea pusă. Două biți de informații care identifică o pereche specifică de nucleotide din ADN-ul unui măr sunt mult mai importante pentru generațiile viitoare de mere decât biți de informații create de vibrația termică a unui atom de carbon dintr-una dintre moleculele mărului. Doar câteva molecule și fragmentele lor însoțitoare pot transmite mirosul unui măr, dar pentru a oferi măr valoare nutritivă, sunt necesare miliarde de miliarde de biți.

„Totuși”, a intervenit Gell-Mann din nou, „există o modalitate riguroasă din punct de vedere matematic de a determina semnificația unui anumit bit?”

Nu am un răspuns complet la această întrebare, am spus, ținând încă mărul în mână. Semnificația unui pic de informație depinde de modul în care este procesată acea informație. Toate sistemele fizice conțin informații. Mai mult, dezvoltându-se dinamic în timp, ele transformă și procesează aceste informații. Dacă un electron „aici” conține un 0 și un electron „acolo” conține un 1, atunci când electronul se deplasează de aici încolo, își schimbă valoarea bitului său. Dinamica naturală sistem fizic poate fi gândit ca un calcul în care un bit nu numai că conține un 0 sau un 1, dar acționează ca o instrucțiune: 0 poate însemna „fă asta” și 1 poate însemna „fă asta”. Semnificația unui bit depinde nu numai de valoarea sa, ci și de modul în care această valoare afectează alți biți în timp, ca parte a procesării constante a informațiilor care constituie evoluția dinamică a Universului.

Am continuat să descriu bucățile care alcătuiesc mărul și am început să vorbesc despre rolul pe care acestea îl joacă în procesele care conferă mărului caracteristicile sale particulare. Totul mergea bine. Am abordat subiectul „totul din ritm” și am putut chiar să răspund în mod adecvat la întrebările publicului. De cel puţin, M-am gândit eu.

Am terminat prelegerea și am plecat de la tablă. Deodată cineva m-a bătut pe umăr. Unul dintre ascultători a decis serios să ia în stăpânire mărul meu. Era Doyne Farmer, unul dintre fondatorii teoriei haosului, un bărbat înalt și atletic. M-a prins de mâini - a vrut să scap mărul. Eliberându-mă de strânsoare, i-am lipit spatele de perete. Imaginile fractale și fotografiile indienilor atârnate de el au căzut pe podea. Farmer m-a trântit la podea. Am început să ne rostogolim pe podea, răsturnând scaune. Mărul a plecat undeva. Probabil s-a transformat înapoi în bucăți individuale.

Pe 22 iulie, Seth Lloyd, profesor și fizician celebru implicat în crearea computerelor cuantice, a ținut o prelegere la Moscova. A venit la Moscova ca invitat special al celui de-al doilea conferinta internationala privind tehnologiile cuantice, organizat de Centrul Cuantic Rus. Lloyd a devenit faimos pentru cartea sa Programming the Universe, în care susține că Universul este un computer cuantic uriaș care creează viitorul prin calcule. Uită-te la mine a vorbit cu celebrul om de știință despre motivul pentru care sunt necesare computere cuantice, despre cum se comportă fizicienii timp liberși de ce știința este funky.

Seth Lloyd

Profesor MIT și creator de model de computer cuantic

De ce crezi că Universul este un computer?

Universul este format din atomi, dar este important să înțelegem că toate aceste particule conțin informații și când, de exemplu, două se ciocnesc particule elementare, bucăți de informații sunt transformate în timpul acestui proces. Ne putem gândi la univers ca la ceva format din atomi și acesta este modul tradițional de a privi lucrurile, dar putem privi și atomii ca pe ceva care conține informații și o procesează, ca un computer. Încerc să-mi dau seama și să construiesc computere cuantice și să stocheze informații în atomi, dar atomii fac calcule oricum, iar când construim computere cuantice, trebuie doar să încercăm să facem ca atomii să calculeze într-un mod diferit. Am abordat crearea calculatoarelor cuantice din punct de vedere tehnologic, dar apoi mi-am dat seama că încercăm, parcă, să interferăm cu procesul de calcule pe care Universul îl efectuează de mult timp.

Cum îți schimbă teoria că Universul este un computer cuantic viața de zi cu zi? Și cum poate schimba percepția oamenilor despre lumea din jurul lor?

De obicei ne gândim la Univers ca fiind format din particule de energie, dar putem spune și că este format din biți, particule de informații. De îndată ce înțelegem că Universul efectuează calcule și procesează informații, viziunea noastră asupra lumii se schimbă imediat. În primul rând, această abordare ajută la explicarea lucrurilor care rămân destul de misterioase pe baza altor teorii. De exemplu, încă nu putem răspunde cu exactitate la întrebarea despre originea vieții pe Pământ. De fapt, viața este procesarea informațiilor, se bazează pe ADN, o moleculă care transportă informații și programează toate sistemele corpului astfel încât acestea să funcționeze așa cum funcționează. Dacă te gândești la viață ca procesând energie și procesează informații, devine clar că universul poate fi considerat și ca procesează energie și informații. Viața ia naștere în mod natural din aceste „calculări” ale Universului.

D-Wave este unul dintre primele
calculatoare cuantice comerciale

Care sunt cele mai complexe calcule care au fost făcute folosind calculatoarele cuantice existente cu care lucrați?

Calculatoarele cuantice existente sunt destul de mici și slabe. Până acum sunt capabili să efectueze câteva sute de operații cu numere mici, cu zeci. Dar chiar și cu o asemenea putere, putem învăța multe despre modul în care informațiile sunt procesate la nivel microscopic. Există, de asemenea, computere cuantice specializate. De exemplu, un computer creat de compania D-Wave - se bazează pe o dezvoltare pe care eu și elevul meu am venit cu aproximativ 10 ani în urmă și nici măcar nu speram că va funcționa. Și astfel de computere cuantice pot efectua calcule mult mai complexe și pot servi unui anumit scop.

Când vor apărea computere cuantice puternice, cum le vom putea folosi?

Există mai multe domenii de aplicare pentru astfel de computere. Una dintre cele mai evidente este destul de distructivă: computerele cuantice ar putea fi folosite pentru a sparge coduri și parole de Internet. carduri de credit. Îmi place să folosesc cumpărăturile online și, prin urmare, sper că computerele cuantice nu vor fi folosite pentru asta. În plus, există o altă funcție, mai utilă: le putem folosi pentru a simula unele situații naturale, procese în atomi - acest lucru va ajuta să aflați mai multe despre originea Universului.

Recent, eu și colegii mei am realizat și că computerele cuantice pot fi folosite pentru a studia cantități foarte mari de informații. De exemplu, dacă ar exista o bază de date cu date genetice despre toți oamenii de pe pământ, ar fi o bază de date cu o sumă imensă informații formate din miliarde de biți. Calculatoarele cuantice pot ajuta la identificarea tiparelor din această bază de date, ceva ce computerele convenționale nu pot face. Pe de altă parte, există probleme de confidențialitate dificile, deoarece eu, de exemplu, cu siguranță nu vreau ca companiile farmaceutice să aibă informații despre datele mele genetice. Dacă am putea folosi computere cuantice pentru a explora date despre gene, despre populații, asigurând în același timp confidențialitatea și găsirea unor modele comune, ne-ar putea ajuta să învățăm despre viața de pe Pământ.

Când atomii pot fi considerați biți, este foarte dificil să tragem linia dintre lumea naturală și lumea computerelor. Crezi că în viitor va exista inteligență artificială și o singularitate tehnologică?

Îl cunosc pe Ray Kurzweil, locuiește lângă mine și este un tip sălbatic și nebun. Populația lumii crește foarte repede, mai rapid decât exponențial. Acum o mie de ani, populația lumii se dubla la fiecare câteva sute de ani, iar acum se dublează la fiecare 10-15 ani. Se pare că până în 2080 populația va fi pur și simplu uriașă, dar acest lucru este puțin probabil să se întâmple. La fel este și cu informațiile - cantitatea ei se dublează în fiecare an, adică în curând cantitatea ei se va apropia de infinit. Nu sunt la fel de optimist ca Ray Kurzweil și nu cred că este posibil ca singularitatea să se întâmple. Și dacă va veni, după părerea mea, va provoca mai multe distrugeri, nu va fi o lume nouă curajoasă.

Există atât de multe versiuni despre cum va fi viitorul, iar singularitatea este doar una dintre ele. Cum vedeți viitorul dacă apar computere cuantice puternice?

Calculatoarele cuantice vor face cu siguranță viitorul mai interesant, dar nu cred că știu suficient pentru a spune ce se va întâmpla în lumea tehnologiei în viitor. Sunt sigur că atunci când vorbim despre viitor, îl putem cita pe James Brown: indiferent ce s-ar întâmpla, „va fi funky”. Mele obiectivul principal pentru viitorul apropiat - să facă știință și să se bucure de ea. Sunt norocos să lucrez la MIT pentru că oamenii de acolo fac lucruri ciudate, uneori nebunești, dar mereu complet noi în fiecare zi. Cel mai bun lucru din lume este să înveți despre ceva nou, ceva uimitor.

În prelegerile tale vorbești mult despre impactul revoluțiilor tehnologice asupra viziunii noastre asupra lumii. Crezi că aceste revoluții tehnologice sunt necesare în țările lumii a treia? La urma urmei, toate revoluțiile tehnologice au avut loc în principal în țările occidentale...