برنامه نویسی کیهان کامپیوتر کوانتومی و آینده علم

نقل قول "در سال 1993، من متوجه شدم که چگونه یک کامپیوتر کوانتومی بسازم. کامپیوترهای کوانتومی دستگاه هایی هستند که از توانایی اتم ها، فوتون ها و سایر ذرات بنیادی برای پردازش اطلاعات استفاده می کنند. آنها به گونه ای محاسبه می کنند که کامپیوترهای کلاسیک مانند Mac یا PC قادر به محاسبه نیستند. " "با یادگیری نحوه محاسبه اتم ها و مولکول ها - کوچکترین ذرات جهان -، شروع به دیدن بهتر توانایی پردازش اطلاعات طبیعی ذاتی خود جهان کردم. دنیای پیچیده ای که ما در اطراف خود می بینیم تجلی کوانتوم است. محاسبات جهان." آنچه کتاب در مورد هر اتم جهان است، و نه فقط اشیاء ماکروسکوپی مختلف، قادر به ذخیره اطلاعات است. اعمال برهمکنش بین اتم ها را می توان به عنوان عملیات منطقی ابتدایی توصیف کرد که در آن بیت های کوانتومی - واحدهای اولیه اطلاعات کوانتومی - مقادیر خود را تغییر می دهند. رویکرد متناقض اما امیدوارکننده ست لوید به ما این امکان را می دهد که مشکل پیچیدگی دائمی جهان را به زیبایی حل کنیم: بالاخره...

ناشر: "غیرداستانی آلپینا" (2014)

فرمت: 60x90/16، 256 صفحه.

کتاب های دیگر با موضوعات مشابه:

نویسنده	شرح	سال	قیمت	نوع کتاب
ست لوید	نقل قول «در سال 1993، من متوجه شدم که چگونه یک کامپیوتر کوانتومی ایجاد کنم. رایانه های کوانتومی دستگاه هایی هستند که از توانایی اتم ها، فوتون ها و دیگر ذرات بنیادی برای پردازش استفاده می کنند ... - غیر داستانی آلپینا، (فرمت: 60x90/16، 256 صفحه) علم و آینده	2014	238	کتاب کاغذی
لوید اس.	هر اتم در جهان، نه فقط اشیاء ماکروسکوپی مختلف، قادر به ذخیره اطلاعات است. اعمال برهمکنش اتم ها را می توان به عنوان عملیات منطقی ابتدایی توصیف کرد که در آن آنها تغییر می کنند ... - غیر داستانی آلپینا، کتاب های علمی محبوب	2017	387	کتاب کاغذی
لوید اس.	هر اتم در جهان، نه فقط اشیاء ماکروسکوپی مختلف، قادر به ذخیره اطلاعات است. اعمال برهمکنش اتم ها را می توان به عنوان عملیات منطقی ابتدایی توصیف کرد که در آنها تغییر می کنند ... - غیر داستانی آلپینا، (فرمت: 60x90/16، 256 صفحه) Alpina Popular Science	2019	202	کتاب کاغذی
لوید اس.	هر اتم در جهان، نه فقط اشیاء ماکروسکوپی مختلف، قادر به ذخیره اطلاعات است. اعمال برهمکنش اتم ها را می توان به عنوان عملیات منطقی ابتدایی توصیف کرد که در آنها تغییر می کنند ... - غیر داستانی Alpina، (قالب: 70x100، 358 صفحه) Alpina Popular Science

صفحه فعلی: 1 (کتاب در مجموع 19 صفحه دارد) [بخش خواندنی موجود: 5 صفحه]

ست لوید
برنامه نویسی کیهان کامپیوتر کوانتومی و آینده علم

این انتشارات از مرکز کوانتومی روسیه، سرگئی بلوسف و ویکتور اورلوفسکی برای کمک آنها در تهیه نشریه تشکر می کند.

ترجمه الف. بایستید

ویرایشگر I. Lisov

ویراستاران مرکز کوانتومی روسیه A. Sergeev، D. Falaleev

مدیر پروژه A. Polovnikova

تصحیح کننده E. Smetannikova

چیدمان کامپیوتر M. Potashkin

تصویر جلد GettyImages/Fotobank.ru

* * *

تقدیم به حوا

پیشگفتار نویسنده بر نسخه روسی

از نوشتن این مقدمه ویژه برای نسخه روسی کتاب برنامه نویسی جهان خوشحالم. مایلم از سرگئی بلوسف، اوگنی دملر، میشا لوکین و همه همکاران مرکز کوانتوم روسیه که به انتشار این ترجمه روسی کمک کردند تشکر کنم. مرکز کوانتومی روسیه یک موسسه مترقی جدید است که سنت بزرگ علوم بنیادی روسیه را حفظ می کند. محققان این مرکز قبلاً کمک های مهمی به تئوری و عمل پردازش اطلاعات کوانتومی کرده اند که یکی از موضوعات اصلی کتاب من است. من مشتاقانه منتظر دستاوردهای علمی جدید بزرگ و شگفت انگیز این سازمان علمی هستم.

ایده برنامه نویسی جهان این است که ما باید جهان را از نظر پردازش اطلاعاتی که در اساسی ترین سطح خود انجام می دهد درک کنیم. در توصیف فیزیکی سنتی کیهان، کمیت اصلی انرژی است. اما اخیراً مشخص شده است که اطلاعات به همان اندازه مهم است. همانطور که فرمول معروف انیشتین می گوید: E = mc²، تمام ماده از انرژی ساخته شده است. با این حال، اطلاعات شکلی را که ماده به خود می گیرد و دگرگونی هایی را که انرژی متحمل می شود تعیین می کند. در هسته خود، جهان رقصی از چرخش و صداهای کلیک است که در آن انرژی و اطلاعات شرکای مساوی هستند. جهان در اصل یک کامپیوتر غول پیکر است که در آن هر اتم و هر ذره بنیادی حاوی بیت هایی از اطلاعات است و هر بار که دو اتم یا دو ذره با هم برخورد می کنند، آن بیت ها مقادیر خود را تغییر می دهند. ماهیت محاسباتی جهان باعث پیچیدگی و پیچیدگی آن می شود: هر چیزی که بتوان محاسبه کرد - هر چیزی که ذهن ما می تواند تصور کند و فراتر از آن - در جایی در جهان وجود دارد.

ریاضیدانان و دانشمندان روسی صفحات شگفت انگیز زیادی در نظریه اطلاعات نوشته اند. کار آندری نیکولایویچ کولموگروف برای این کتاب بسیار مهم بود: کولموگروف یکی از بنیانگذاران حوزه نظریه اطلاعات الگوریتمی بود که بیان می کند اطلاعات باید به زبان پردازش آن، یعنی از طریق محاسبات، تعریف شوند. نظریه پیچیدگی کولموگروف مبنای طبیعی تئوری های محاسبات و تشکیل پیچیدگی است که در این کتاب مورد بحث قرار گرفته است. اخیراً دانشمندان روسی کمک های بسیار مهمی به نظریه اطلاعات کوانتومی و محاسبات کوانتومی کرده اند. مکانیک کوانتومی شاخه ای از فیزیک است که رفتار ماده و انرژی را در اساسی ترین شکل آنها مطالعه می کند. در هسته آن، عجیب و غیرمعمول است: ذرات به شکل امواج مطابقت دارند، و امواج از ذرات ساخته شده اند - این دوگانگی موج-ذره است. یک الکترون می تواند همزمان در دو مکان باشد و بسیاری از چیزهایی که برای تصور کلاسیک ما غیرممکن به نظر می رسند در واقع در هر ثانیه اتفاق می افتند. جهان فقط یک کامپیوتر نیست. این یک کامپیوتر مکانیکی کوانتومی است. ترکیب عجیب بودن کوانتومی و پردازش اطلاعات چیزی است که به جهان ثبات، قدرت و پیچیدگی می بخشد.

من این شانس را داشتم که فعالیت علمی خود را در دهه 1980 آغاز کنم، در زمانی که دانشمندان روسی و شوروی پس از چندین دهه جدایی از سایر نقاط جهان شروع به سفر به خارج از کشور کردند. این دانشمندان علاوه بر کشف گنجینه ای از اطلاعات بنیادی علمی که قبلاً فقط به زبان روسی منتشر شده بود، به گفتمان علمی روحی منحصر به فرد و شگفت انگیز القا کردند. در جوانی تولستوی و داستایوفسکی را می خواندم و به همین دلیل با غنای بحث روشنفکری روسی آشنا بودم، اما پیش از این هرگز در یک دعوای علمی واقعی روسیه شرکت نکرده بودم، وقتی مردم با صدای بلند شروع به صحبت می کنند، وقتی با مشت به میز می زنند. وقتی می توانند یک تکه گچ در دل خود در مورد تخته بشکنند، اما در نهایت وقتی مشکل حل شد، همه دوباره با هم دوست می شوند. اشتیاق، پشتکار و حل دوستانه مشکلات اساسی - این روح واقعی علم است! و من امیدوارم که نسخه روسی "برنامه ریزی جهان" بحث های علمی پر جنب و جوشی ایجاد کند.

ست لوید

پیش درآمد

اپل و کیهان

شروع کردم: «در ابتدا یک ضرب و شتم وجود داشت. کلیسای صومعه قرن هفدهمی، محل موسسه سانتافه، که سیستم های پیچیده را مطالعه می کند، مملو از مخاطبان معمولی بود: فیزیکدانان، زیست شناسان، اقتصاددانان و ریاضیدانان، با ترکیبی از چندین برنده جایزه نوبل. یکی از بنیانگذاران اخترفیزیک و گرانش کوانتومی، جان آرچیبالد ویلر، از من دعوت کرد تا در مورد موضوع «همه چیز از یک بیت» سخنرانی کنم. من چالش را پذیرفتم. با ایستادن در مقابل حضار، شروع به شک کردم که آیا ارزش انجام آن را دارد یا خیر، اما جایی برای عقب نشینی وجود نداشت. سیب را در دستم گرفتم.

با عصبانیت یک سیب را به هوا پرتاب کردم، ادامه دادم: "چیزها از اطلاعات ناشی می شوند، یعنی از تکه ها." – این سیب شیء خوبی است. سیب اغلب با اطلاعات همراه است. اولاً، سیب میوه دانش است که «طعم مرگبار آن مرگ و تمام رنج ما را به زمین آورد». اطلاعاتی در مورد خیر و شر دارد. بعدها، این مسیر یک سیب در حال سقوط بود که قوانین جهانی گرانش را به نیوتن پیشنهاد کرد و سطح منحنی سیب استعاره ای از فضا-زمان منحنی انیشتین است. نزدیکتر به موضوع ما این است که ساختار درختان سیب آینده در کد ژنتیکی ثبت شده در دانه های سیب برنامه ریزی شده است. و یک ویژگی دیگر، نه کمتر مهم سیب: حاوی انرژی رایگان است - کالری انرژی کمی که به عملکرد بدن ما کمک می کند. سیب را گاز گرفتم.

بدیهی است که این سیب حاوی انواع مختلفی از اطلاعات است. اما چقدر نگه می دارد؟ چند بیت دارد؟ سیب را روی میز گذاشتم و به سمت تخته چرخیدم تا یک محاسبه سریع انجام دهم. جالب اینجاست که تعداد تکه‌های یک سیب از ابتدای قرن بیستم، زمانی که کلمه «بیت» هنوز وجود نداشت، شناخته شده است. ممکن است به نظر برسد که یک سیب دارای تعداد بی نهایت بیت است، اما اینطور نیست. در واقع، قوانین مکانیک کوانتومی که بر همه سیستم‌های فیزیکی حاکم است، می‌گوید که برای تعیین وضعیت میکروسکوپی سیب و تمام اتم‌های آن، فقط تعداد محدودی بیت لازم است. هر اتم، یا بهتر است بگوییم موقعیت و سرعت آن، تنها حاوی چند بیت است. هر اسپین هسته ای در هسته یک اتم یک بیت واحد را ذخیره می کند. بنابراین، تنها چند برابر بیشتر از اتم های موجود در یک سیب، تکه هایی وجود دارد - چند میلیون میلیارد میلیارد یک و صفر.

به سمت تماشاگران برگشتم. هیچ سیبی روی میز نبود. وای! چه کسی آن را گرفت؟ ویلر آرام به من نگاه کرد. چهره موری گل مان، برنده جایزه نوبل، مخترع کوارک و یکی از فیزیکدانان برجسته جهان نیز هیچ احساسی نشان نمی داد.

"من نمی توانم بدون سیب ادامه دهم. نه شی، نه ذره ای،» گفتم و نشستم.

اعتصاب غذای من فقط چند لحظه به طول انجامید: مهندس مرکز تحقیقات آزمایشگاه بل لبخند زد و یک سیب به من داد. من آن را گرفتم و بالای سرم بردم و هر کسی را به تلاش برای دزدی دعوت کردم. این تقصیر من بود. اما بعد به نظرم رسید که همه چیز خوب پیش می رود.

ادامه دادم: «از نظر مقدار اطلاعاتی که بیت ها می توانند ذخیره کنند، همه آنها برابر هستند. بیت کوتاه است برای رقم باینری(عدد باینری) - می تواند در یکی از دو حالت قابل تشخیص باشد: 0 یا 1، بله یا خیر، "سر" یا "دم". هر سیستم فیزیکی که در آن دو حالت وجود داشته باشد شامل یک بیت است. یک سیستم با حالت های بیشتر حاوی بیت های بیشتری است. یک سیستم چهار حالته، مانند 00، 01، 10، 11، شامل دو بیت است. سیستمی که در آن هشت حالت وجود دارد، به عنوان مثال 000، 001، 010، 011، 100، 101، 110، 111، شامل سه بیت و غیره است. همانطور که گفتم، طبق قوانین مکانیک کوانتومی، هر سیستم فیزیکی محدود به یک حجم محدود فضا و مقدار متناهی انرژی، دارای تعداد محدودی حالت قابل تشخیص است و بنابراین شامل تعداد محدودی بیت است. تمام سیستم های فیزیکی حاوی اطلاعات هستند. همانطور که Rolf Landauer از IBM گفت: "اطلاعات یک کمیت فیزیکی هستند."

در اینجا گل مان حرف من را قطع کرد: «اما آیا همه بیت ها واقعاً برابرند؟ بگذارید یک بیت به ما بگوید که آیا برخی از فرضیه های ریاضی معروف اما اثبات نشده درست است یا خیر، و بیت در نتیجه پرتاب تصادفی سکه به دست می آید. من فکر می‌کنم برخی ضربات مهم‌تر از بقیه هستند.»

من موافقت کردم. بیت های مختلف نقش های متفاوتی را در جهان ایفا می کنند. بیت ها ممکن است حاوی همان مقدار اطلاعات باشند، اما کیفیت و اهمیت آن اطلاعات از بیت به بیت متفاوت است. اهمیت پاسخ «بله» به سؤال پرسیده شده بستگی دارد. دو بیت اطلاعاتی که یک جفت نوکلئوتید خاص را در DNA یک سیب شناسایی می‌کنند، برای نسل‌های آینده سیب‌ها بسیار مهم‌تر از بیت‌های اطلاعاتی هستند که توسط ارتعاش حرارتی یک اتم کربن در یکی از مولکول‌های سیب ایجاد می‌شوند. فقط چند مولکول و تکه های همراه آنها می توانند بوی یک سیب را منتقل کنند، اما میلیاردها میلیارد بیت برای تامین ارزش غذایی یک سیب مورد نیاز است.

گل مان دوباره گفت: «با این حال، آیا از نظر ریاضی راهی دقیق برای تعیین اهمیت یک بیت خاص وجود دارد؟»

جواب کاملی برای این سوال ندارم، در حالی که هنوز سیب را در دست دارم، گفتم. اهمیت یک بیت از اطلاعات به نحوه پردازش آن اطلاعات بستگی دارد. تمام سیستم های فیزیکی حاوی اطلاعات هستند. علاوه بر این، آنها به طور پویا در طول زمان توسعه می یابند، این اطلاعات را تبدیل و پردازش می کنند. اگر یک الکترون "اینجا" حاوی 0 و یک الکترون "آنجا" حاوی 1 باشد، وقتی الکترون از اینجا به آنجا حرکت می کند، مقدار بیت خود را تغییر می دهد. دینامیک طبیعی یک سیستم فیزیکی را می توان به عنوان محاسباتی در نظر گرفت که در آن یک بیت نه تنها حاوی 0 یا 1 است، بلکه به عنوان یک دستورالعمل عمل می کند: 0 می تواند به معنای "این کار را انجام دهید" و 1 می تواند به معنای "آن را انجام دهید". ” اهمیت یک بیت نه تنها به ارزش آن بستگی دارد، بلکه به چگونگی تأثیر آن مقدار بر بیت های دیگر در طول زمان، به عنوان بخشی از پردازش مداوم اطلاعات که تکامل پویای جهان را تشکیل می دهد، بستگی دارد.

من به توصیف تکه‌هایی که سیب را می‌سازند ادامه دادم و شروع کردم به صحبت در مورد نقشی که آنها در فرآیندهایی که به سیب ویژگی‌های خاص آن را می‌دهند. همه چیز خوب پیش می رفت. من به موضوع "همه چیز از ضرب و شتم" پرداختم و حتی توانستم به سوالات مخاطبان به اندازه کافی پاسخ دهم. حداقل من اینطور فکر می کردم.

سخنرانی را تمام کردم و از تخته دور شدم. ناگهان یکی به شانه ام زد. یکی از شنوندگان به طور جدی تصمیم گرفت سیب من را تصاحب کند. این دوین فارمر، یکی از بنیانگذاران نظریه آشوب، مردی قد بلند و ورزشکار بود. او دستانم را گرفت - می خواست سیب را بیاندازم. با رهایی از چنگال، پشتش را به دیوار فشار دادم. تصاویر فراکتال و عکس های هندی هایی که روی آن آویزان شده بودند، روی زمین افتادند. کشاورز مرا روی زمین کوبید. شروع کردیم به غلت زدن روی زمین و کوبیدن صندلی ها. سیب به جایی رفته است. احتمالاً دوباره به بیت های جداگانه تبدیل شده است.

قسمت اول
تصویر بزرگ

فصل 1
معرفی

این کتاب تاریخ کل کیهان و یک بیت است. کیهان بزرگترین جسم موجود است و یک بیت کوچکترین قطعه اطلاعات است. جهان از بیت ها ساخته شده است. هر مولکول، اتم و ذره بنیادی حاوی بیت هایی از اطلاعات است. در هر تعامل بین این ذرات جهان، اطلاعات با تغییر این بیت ها پردازش می شود. به عبارت دیگر، جهان در حال محاسبه است. اما قوانین مکانیک کوانتومی بر آن حاکم است، بنابراین به روش مکانیک کوانتومی محاسبه می کند. بیت های آن بیت کوانتومی هستند. اساساً، تاریخ جهان یک محاسبات کوانتومی گسترده و مداوم است. جهان یک ماشین محاسباتی کوانتومی است.

این سؤال را ایجاد می کند: جهان چه چیزی را محاسبه می کند؟ پاسخ: خودت، رفتار خودت. به محض اینکه جهان به وجود آمد، بلافاصله شروع به محاسبه کرد. در ابتدا، طرح هایی که او ایجاد کرد ساده بود: آنها شامل ذرات بنیادی بودند و قوانین اساسی فیزیک را ایجاد کردند. با گذشت زمان، همانطور که کیهان اطلاعات بیشتری را پردازش می‌کرد، اجرام پیچیده و پیچیده‌تری از جمله کهکشان‌ها، ستاره‌ها و سیارات را به وجود آورد. زندگی، زبان، مردم، جامعه، فرهنگ - همه آنها وجود خود را مدیون توانایی طبیعی ماده و انرژی برای پردازش اطلاعات هستند. قدرت محاسباتی جهان یکی از بزرگترین اسرار طبیعت را توضیح می دهد: چگونه سیستم های پیچیده، مانند موجودات زنده، از قوانین بسیار ساده فیزیک ناشی می شوند. این قوانین به ما این امکان را می دهد که آینده را پیش بینی کنیم، اما فقط به عنوان یک احتمال و فقط به صورت کلی. ماهیت محاسبات کوانتومی جهان به گونه ای است که جزئیات خاص آینده همیشه غیرقابل پیش بینی باقی می مانند. فقط کامپیوتری به اندازه خود کیهان می تواند آنها را محاسبه کند. بنابراین تنها راه نگاه کردن به آینده این است که منتظر بمانیم و ببینیم چه اتفاقی می افتد.

بگذارید چند کلمه در مورد خودم بگویم. اولین خاطرات کودکی من نحوه زندگی ما در مرغداری است. پدر من یک کارآموز مبلمان‌ساز بود و ما در لینکلن، ماساچوست زندگی می‌کردیم. مرغداری در انتهای انبار بزرگ صاحبخانه قرار داشت. پدرم آن را به یک آپارتمان دو اتاقه تبدیل کرد. جایی که جوجه ها قبلاً آنجا زندگی می کردند اکنون برای من و برادر بزرگترم جای خواب بود. (برادرم کوچکترم اجازه ساخت گهواره را داشت.) عصر مادرم برای ما لالایی خواند و ما را با پتو پوشاند و درهای چوبی را بست. ما تنها ماندیم و به دنیای بیرون از پنجره نگاه کردیم.

این اولین خاطره من است: دیدن کاغذ در حال سوختن در سطل زباله - یک سبد سیمی الماس بافته. سپس به یاد می‌آورم که در حالی که پدرم یک بادبادک ژاپنی پرواز می‌کرد، به پای مادرم که با جین آبی، درست بالای زانو بود، خم شدم. سپس خاطرات به سرعت شروع به جایگزینی یکدیگر می کنند، گویی در فیلم. هر موجود زنده ای جهان را به شیوه خود درک می کند، به جزئیات زیادی توجه می کند و ساختار خاصی از آنها ایجاد می کند. با این وجود، همه ما در یک فضا زندگی می کنیم، قوانین فیزیکی یکسانی بر ما حاکم است. در مدرسه آموختم که قوانین فیزیک حاکم بر جهان به طرز شگفت آوری ساده هستند. فکر کردم چطور ممکن است چنین دنیای درهم و پیچیده ای که از پنجره اتاق خوابم می بینم از قوانین ساده فیزیک ناشی شود؟ تصمیم گرفتم این موضوع را به تفصیل بررسی کنم و سال ها قوانین طبیعت را مطالعه کردم.

هاینز پاگلز که در تابستان 1988 به طرز غم انگیزی در کوه های کلرادو درگذشت، متفکری درخشان و بدیع بود. او معتقد بود که زمان آن فرا رسیده است که مرزهای طبیعی علم را بشکنیم. او مرا تشویق کرد تا روش‌های دقیق فیزیکی برای توصیف و اندازه‌گیری پیچیدگی ایجاد کنم. بعداً، زیر نظر موری گل مان در کالتک، مطالعه کردم که چگونه قوانین مکانیک کوانتومی و فیزیک ذرات جهان را «برنامه‌نویسی» می‌کنند و در انجام این کار، بذر پیچیدگی را می‌کارند.

من اکنون استاد مهندسی مکانیک در موسسه فناوری ماساچوست هستم. اما از آنجایی که من در این زمینه تحصیلات رسمی ندارم، بهتر است من را استاد مهندسی مکانیک کوانتومی بنامیم. این رشته بر مکانیک کوانتومی، شاخه ای از فیزیک که ماده و انرژی را در سطح خرد مطالعه می کند، متکی است. مکانیک کوانتومی برای اتم ها همان طور که مکانیک کلاسیک برای مکانیسم ها است. در واقع شما می توانید من را مهندس اتمی خطاب کنید.

در سال 1993، من متوجه شدم که چگونه یک کامپیوتر کوانتومی بسازم. رایانه های کوانتومی دستگاه هایی هستند که توانایی اتم ها، فوتون ها و سایر ذرات بنیادی را برای پردازش اطلاعات به کار می گیرند. آنها به گونه ای محاسبه می کنند که رایانه های کلاسیک مانند مک و رایانه های شخصی نمی توانند. همانطور که یاد گرفتم چگونه اتم ها و مولکول ها - کوچکترین ذرات جهان - را محاسبه کنم، به طور فزاینده ای از توانایی پردازش اطلاعات طبیعی ذاتی خود جهان آگاه شدم. دنیای پیچیده ای که در اطراف خود می بینیم جلوه ای از محاسبات کوانتومی کیهان است.

انقلاب دیجیتالی که امروزه در حال وقوع است، آخرین حلقه از زنجیره طولانی انقلاب ها در زمینه پردازش اطلاعات است که به گذشته بازمی گردد. از آن جمله می توان به پیدایش زبان های انسانی، تولید مثل جنسی، تولد حیات و در نهایت آغاز خود جهان هستی اشاره کرد. هر یک پایه‌های بعدی را گذاشت و همه این انقلاب‌ها در پردازش اطلاعات، از زمان انفجار بزرگ، به دلیل توانایی طبیعی کیهان برای پردازش داده‌ها رخ داد.

جهان محاسباتی با ضرورتپیچیدگی ایجاد می کند زندگی، جنسیت، مغز و تمدن انسانی تصادفی به وجود نیامده است.

کامپیوتر کوانتومی

مکانیک کوانتومی به خاطر پارادوکس هایش مشهور است. امواج مانند ذرات و ذرات مانند امواج رفتار می کنند و شما می توانید همزمان در دو مکان باشید. شاید تعجب آور نباشد که در سطح خرد چیزها به شیوه های عجیب و متناقض رفتار می کنند. به هر حال، ما به درک اجسامی که اندازه آنها بسیار بزرگتر از اتم های منفرد هستند عادت کرده ایم. اما پارادوکس های دنیای کوانتومی هنوز ما را گیج می کند. نیلز بور، پدر مکانیک کوانتومی، زمانی اظهار داشت که اگر کسی فکر می‌کند که می‌تواند مکانیک کوانتومی را بدون سرگیجه درک کند، واقعاً آن را نمی‌فهمد.

رایانه‌های کوانتومی از «عجیب کوانتومی» برای انجام کارهای بسیار پیچیده برای رایانه‌های معمولی استفاده می‌کنند. یک بیت کوانتومی یا "کیوبیت" می تواند در هر دو حالت 0 و 1 باشد. همزمان، در حالی که یک بیت کلاسیک فقط می تواند حاوی 0 یا فقط 1 باشد. بنابراین، یک کامپیوتر کوانتومی می تواند میلیون ها محاسبه را به طور همزمان انجام دهد.

رایانه های کوانتومی اطلاعات ذخیره شده در اتم ها، الکترون ها و فوتون ها را پردازش می کنند. کامپیوتر کوانتومی یک دموکراسی در دنیای اطلاعات است: هر اتم، الکترون و فوتون به طور مساوی در فرآیندهای ذخیره و پردازش اطلاعات شرکت می کنند. و این دموکراسی اساسی اطلاعات به کامپیوترهای کوانتومی محدود نمی شود. همه سیستم‌های فیزیکی اساساً مکانیک کوانتومی هستند و همه سیستم‌های فیزیکی اطلاعات را ثبت، حاوی و پردازش می‌کنند. جهان از ذرات بنیادی ساخته شده است - الکترون ها، فوتون ها، کوارک ها، و هر قطعه ابتدایی یک سیستم فیزیکی یک قطعه از اطلاعات را می گیرد: یک ذره - یک بیت. این قطعات در تعامل با یکدیگر، به تدریج اطلاعات را تبدیل و پردازش می کنند. هر برخورد ذرات بنیادی به عنوان یک عملیات منطقی ساده عمل می کند که به اختصار "op" نامیده می شود.

برای درک هر سیستم فیزیکی از نظر بیت های آن، باید درک خوبی از مکانیسمی که هر یک از عناصر آن سیستم اطلاعات را ثبت و پردازش می کند، داشته باشید. اگر بفهمیم یک کامپیوتر کوانتومی چگونه این کار را انجام می دهد، می دانیم که چگونه یک سیستم فیزیکی این کار را انجام می دهد.

ایده چنین کامپیوتری در اوایل دهه 1980 مطرح شد. پل بنف، ریچارد فاینمن، دیوید دویچ و دیگران. در آن زمان، کامپیوترهای کوانتومی یک مفهوم کاملاً انتزاعی بودند: هیچ کس نمی دانست چگونه آنها را بسازد. در اوایل دهه 1990، نشان دادم که چگونه می توان این کار را با استفاده از روش های تجربی موجود انجام داد. در طول ده سال گذشته، من با برخی از بهترین دانشمندان و مهندسان جهان برای طراحی، ساخت و راه اندازی کامپیوترهای کوانتومی کار کرده ام.

دلایل خوبی برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی وجود دارد. اول از همه، ما می توانیم آن را انجام دهیم. فن‌آوری‌های کوانتومی - فناوری‌هایی برای کنترل ماده در سطح اتمی - در سال‌های اخیر پیشرفت چشمگیری داشته است. ما اکنون لیزرهای نسبتاً پایدار، روش‌های تولید نسبتاً دقیق و الکترونیک سریع داریم که به ما امکان می‌دهد محاسبات را در سطح اتمی انجام دهیم.

دلیل دوم این است که ما باید یاد بگیریم که چگونه کامپیوترهای کوانتومی بسازیم، حداقل اگر می خواهیم کامپیوترهایمان سریعتر و قدرتمندتر شوند. برای نیم قرن، قدرت محاسباتی کامپیوتر هر سال و نیم دو برابر شده است. این انفجار به نام گوردون مور، یکی از مدیران ارشد اینتل، که در دهه 1960 به ماهیت نمایی رشد اشاره کرد، "قانون مور" نامیده می شود. قانون مور یک قانون طبیعت نیست، بلکه گواهی بر نبوغ انسان است. هر هجده ماه یکبار کامپیوترها دو برابر سریعتر می شوند زیرا مهندسان هر هجده ماه راهی برای نصف کردن اندازه اتصالات و گیت های منطقی که آنها را تشکیل می دهند پیدا می کنند. هر بار که اندازه اجزای اصلی یک کامپیوتر نصف می شود، امکان قرار دادن دو برابر بیشتر اجزا در یک تراشه با همان اندازه وجود دارد. در نتیجه، کامپیوتر دو برابر قدرتمندتر از نسل قبلی خود است که یک سال و نیم پیش ساخته شده است.

اگر قانون مور را در آینده پیش بینی کنیم، خواهیم دید که اندازه اتصالات و عناصر منطقی تشکیل دهنده کامپیوترها در حدود چهل سال آینده به سطح اتم ها خواهد رسید. بنابراین، اگر بخواهیم قانون مور همچنان اعمال شود، باید یاد بگیریم که چگونه کامپیوترهایی بسازیم که در سطح کوانتومی کار کنند. کامپیوترهای کوانتومی مرز نهایی کوچک سازی را نشان می دهند.

کامپیوترهای کوانتومی که من و همکارانم ساخته‌ایم قبلاً به این هدف رسیده‌اند: هر اتم حاوی یک بیت است. اما امروزه ما می توانیم کامپیوترهای کوانتومی بسیار کوچکی را هم از نظر اندازه و هم از نظر قدرت محاسباتی ایجاد کنیم. بزرگترین کامپیوترهای کوانتومی همه منظوره که در حال حاضر وجود دارند حاوی هفت تا ده بیت کوانتومی هستند و می توانند هزاران عملیات منطقی کوانتومی را در ثانیه انجام دهند. 1
در سال 2011، D-Wave Systems ساخت یک کامپیوتر تجاری با 128 کیوبیت را اعلام کرد. – توجه داشته باشید ویرایش

. (برای مقایسه، یک رایانه شخصی رومیزی معمولی می تواند حاوی تریلیون ها بیت باشد و میلیاردها عملیات منطقی معمولی و کلاسیک را در ثانیه انجام دهد.) ما قبلاً یاد گرفته ایم که چگونه رایانه هایی با عناصری به اندازه یک اتم بسازیم، اما هنوز نمی دانیم چگونه ساختن بزرگکامپیوترهایی با عناصری در این اندازه اولین کامپیوترهای کوانتومی ده سال پیش ظاهر شدند و تعداد بیت‌هایی که می‌توانند داشته باشند تقریباً هر دو سال دو برابر می‌شود. حتی اگر این سرعت ادامه پیدا کند، چهل سال دیگر طول می کشد تا کامپیوترهای کوانتومی بتوانند از نظر تعداد بیت ها با کامپیوترهای کلاسیک امروزی برابری کنند. کامپیوترهای کوانتومی هنوز راه زیادی برای رسیدن به کامپیوترهای شخصی معمولی دارند.

دلیل سوم ساخت رایانه های کوانتومی این است که به ما اجازه می دهند بفهمیم که کیهان چگونه اطلاعات را ثبت و پردازش می کند. یکی از بهترین راه‌ها برای درک قانون طبیعت، ایجاد ماشینی است که آن قانون را نشان دهد. اغلب ما ابتدا ماشین را ایجاد می کنیم و قوانین بعداً می آیند. چرخ و بالا هزاران سال قبل از کشف قانون بقای تکانه زاویه ای ظاهر شدند. یک سنگ پرتاب شده - قبل از اینکه گالیله قوانین حرکت را کشف کند. منشور و تلسکوپ - زودتر از نظریه نوری نیوتن. موتور بخار خیلی قبل از اینکه جیمز وات تنظیم کننده خود را طراحی کند اختراع شد و سادی کارنو قانون دوم ترمودینامیک را کشف کرد.

و از آنجایی که درک مکانیک کوانتومی بسیار دشوار است، ایجاد ماشینی که قوانین آن را مجسم کند، عالی خواهد بود! با تعامل با آن، می توان در عمل مشاهده کرد که مکانیک کوانتومی چگونه "کار می کند". اینگونه است که کودکی که با یک تاپ بازی می کند به طور شهودی مفهوم و ویژگی های تکانه زاویه ای را که در این اسباب بازی تجسم یافته است، جذب می کند. تنها تجربه عملی، فرصتی برای مشاهده رفتار اتم ها با چشمان خود، به شما این امکان را می دهد که واقعاً بفهمید مکانیک کوانتومی چیست. رایانه‌های کوانتومی «اسباب‌بازی» که ما امروزه ساختن آنها را یاد گرفته‌ایم، ماشین‌هایی هستند که به ما امکان می‌دهند بیشتر و بیشتر در مورد نحوه جذب و پردازش اطلاعات در سطح مکانیک کوانتومی توسط سیستم‌های فیزیکی بیاموزیم.

در نهایت، دلیل دیگری برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد: آنها بسیار جالب هستند. در صفحات این کتاب با تعدادی از بهترین دانشمندان و مهندسان جهان آشنا خواهیم شد. این جف کیمبل از Caltech، طراح اولین دروازه‌های منطقی کوانتومی فوتونیک در جهان است. دیو واینلند از موسسه ملی استاندارد و فناوری، که اولین کامپیوتر کوانتومی ساده را ایجاد کرد. هانس موی از دانشگاه صنعتی دلفت، که گروهش برخی از اولین نمایش‌های بیت‌های کوانتومی را در مدارهای ابررسانا انجام دادند. دیوید کوری از موسسه فناوری ماساچوست، که اولین کامپیوتر کوانتومی مولکولی را ساخت و کامپیوترهای آنالوگ کوانتومی آن می‌توانند محاسباتی را انجام دهند که به یک کامپیوتر معمولی بزرگتر از خود کیهان نیاز دارد. زمانی که ببینیم کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می کنند، می توانیم محدودیت های قدرت محاسباتی کیهان را تعیین کنیم.

این انتشارات از مرکز کوانتومی روسیه، سرگئی بلوسف و ویکتور اورلوفسکی برای کمک آنها در تهیه نشریه تشکر می کند.

ترجمه الف. بایستید

ویرایشگر I. Lisov

ویراستاران مرکز کوانتومی روسیه A. Sergeev، D. Falaleev

مدیر پروژه A. Polovnikova

تصحیح کننده E. Smetannikova

چیدمان کامپیوتر M. Potashkin

تصویر جلد GettyImages/Fotobank.ru

تقدیم به حوا

ست لوید

اپل و کیهان

"من نمی توانم بدون سیب ادامه دهم. نه شی، نه ذره ای،» گفتم و نشستم.

نقل قول 76

آنتروپی بر حسب بیت اندازه گیری می شود. آنتروپی از بیت های تصادفی و ناشناخته تشکیل شده است. متضاد آنتروپی «نژانتروپی» نامیده می شود. Negentropy از بیت های شناخته شده و ساختار یافته تشکیل شده است. نگنتروپی یک سیستم معیاری است که نشان می دهد سیستم چقدر از حداکثر آنتروپی ممکن فاصله دارد. یک فرد زنده و نفس‌کش، برخلاف اتم‌های هلیوم در دمای ثابت، که اصلاً ندارند، نگاتروپی زیادی دارد. می‌توان گفت که آنتروپی از بیت‌های تصادفی «زباله» تشکیل شده است و نگنتروپی از بیت‌های مرتب و مفید تشکیل شده است. بنابراین، عمق ترمودینامیکی یک سیستم فیزیکی برابر است با تعداد بیت های مفیدی که برای ایجاد این سیستم مورد نیاز بود.

سیستم های ساده و منظم که به راحتی ایجاد می شوند، مانند کریستال های نمک، معمولاً از نظر ترمودینامیکی کم عمق هستند. سیستم‌های کاملاً بی‌نظم مانند اتم‌های هلیوم ما، که خواص خود را از فرآیندهای تصادفی مانند گرم کردن به دست می‌آورند، از نظر ترمودینامیکی نیز کم عمق هستند. اما برای ایجاد سیستم‌های پیچیده و ساختار یافته مانند سیستم‌های زنده نیاز به سرمایه‌گذاری عظیمی از بیت‌های مفید در طی چندین میلیارد سال دارد و چنین سیستم‌هایی از نظر ترمودینامیکی عمیق هستند.

گرانش به حضور انرژی پاسخ می دهد. در جایی که چگالی انرژی بیشتر است، بافت فضا-زمان کمی بیشتر خم می شود.

بیت ها ایجاد می شوند و شروع به تغییر مقادیر خود می کنند. گرانش با جمع آوری ماده در اطراف "واحدها" به این پاسخ می دهد. بیت‌های کوانتومی جدا می‌شوند و دنباله‌های تصادفی 0 و 1 در جهان منتشر می‌شوند. محاسبات شروع می‌شود!

انباشت گرانشی علاوه بر ایجاد زمین محکمی که روی آن راه می رویم، مواد خام لازم را برای ایجاد پیچیدگی فراهم می کند. همانطور که ماده در ابرهایی با چگالی افزایش یافته جمع می شود، انرژی موجود در ماده برای استفاده در دسترس می شود. کالری هایی که ما برای زندگی مصرف می کنیم از انباشت گرانشی سرچشمه می گیرد که در نتیجه آن خورشید شکل گرفت و شروع به درخشش کرد.

انباشت گرانشی در کیهان بسیار اولیه مسئول ایجاد ساختار در مقیاس بزرگ کهکشان ها و خوشه های کهکشانی است.

تصادفی بودن در جهان محاسباتی به وجود می آید زیرا حالت اولیه جهان برهم نهی از حالات برنامه های مختلف است که هر یک جهان را در یک مسیر محاسباتی یا مسیر دیگر می فرستند که برخی از آنها به رفتار پیچیده و جالبی منجر می شوند. جهان محاسبات کوانتومی همه این مسیرها را به طور همزمان، موازی کوانتومی دنبال می‌کند، و این مسیرها با تاریخچه‌های ناهمدسی که در بالا توضیح داده شد مطابقت دارند. از آنجایی که تاریخچه های محاسباتی غیر منسجم هستند، می توانیم آن ها را در وعده ناهار مورد بحث قرار دهیم. فقط یکی (یا دیگری) از این داستان ها واقعاً اتفاق افتاده است. یکی از این داستان های غیر منسجم مربوط به کیهانی است که ما در اطراف خود می بینیم.

همچنین شواهد قانع کننده ای وجود دارد که نشان می دهد جهان از محاسبات در سطوح میکروسکوپی پشتیبانی می کند. کامپیوترهای کوانتومی که من و همکارانم در حال ساختن آنها هستیم، گواهی بر توانایی ماده و انرژی برای انجام محاسبات در کوچکترین مقیاس است: ما می توانیم رفتار اتم ها، الکترون ها و فوتون ها را با دقت بالا کنترل کنیم. هر شکلی که ماده و انرژی در مقیاس های کوچکتر به خود بگیرند، تا زمانی که از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی کنند، می توان از آنها برای محاسبات استفاده کرد. در یک کامپیوتر با هدف کلی کیهانی (یعنی یک کامپیوتر جهانی متشکل از خود کیهان)، هر اتم یک بیت است و هر فوتون بیت خود را از یک قسمت محاسبه به قسمت دیگر منتقل می کند. هرگاه یک الکترون یا ذره هسته ای جهت چرخش خود را از جهت عقربه های ساعت به خلاف جهت عقربه های ساعت تغییر دهد، بیت های آن معکوس می شوند.

تا زمانی که یک نظریه کوانتومی کامل در مورد همه پدیده‌های فیزیکی اساسی، از جمله گرانش نداشته باشیم، نمی‌توانیم تأیید دقیق مکانیک محاسباتی جهان را پیدا کنیم. اما ما می توانیم (و امیدواریم) امیدوار باشیم که روزی چنین تاییدی ممکن شود.

برنامه نویسی کیهان ست لوید

قانون جذب چقدر جالب عمل می کند! همین دیروز اولین مقاله خود را در مورد گسترش آگاهی منتشر کردم و صبح دعوتنامه ای برای ارائه کتاب "برنامه ریزی جهان" نوشته ست لوید، فیزیکدان کوانتومی آمریکایی دریافت کردم.

کیهان دائماً در حال پردازش اطلاعات است - به عنوان یک کامپیوتر کوانتومی با اندازه عظیم، دائماً در حال محاسبه آینده خود است. به عنوان انقلاب های پی در پی در پردازش اطلاعات در نظر گرفته می شود. این چیزی است که در اعلامیه کتاب آمده است.

مجری این سوال را مطرح کرد: پس کیهان را برنامه ریزی کرده است؟

ست لوید: (با خنده) من خودم نمی دانم... بله، ما قبلاً خیلی چیزها را کشف کرده ایم... طبق علم، یک انفجار بزرگ رخ داد. انفجار بزرگی از بیت ها، انفجار اطلاعات...

من قانون دوم ترمودینامیک را مطالعه کردم که می گوید آنتروپی افزایش می یابد. بلکه انرژی است. پس وقتی اتم ها با هم برخورد می کنند، آنتروپی افزایش می یابد چه اتفاقی می افتد؟... من متوجه نشدم. فکر کردم آیا می توان کامپیوتری ساخت که اطلاعات روی اتم ها ذخیره شود؟

اگر شما کنترل و کنترل اسپین های بالایی و پایینی اتم ها را به دست بگیرید، من (حدس زدم) این اتم ها را می توان مجبور به محاسبه کرد. ما می توانیم از این اطلاعات استفاده کنیم و این کامپیوتر (منظور جهان هستی است؟) را مجبور کنیم تا محاسبات مورد نیاز خود را انجام دهد.

میزبان: اینها سوالات فناوری های کوانتومی هستند. چگونه این به تغییر زندگی شما در حال حاضر کمک می کند؟

ست لوید: در حال حاضر موضوعات جالبی وجود دارد که در مرکز کوانتومی روسیه مورد بحث قرار می گیرد. امکانات در حال گسترش است... همه ما ارتباطات تلفنی بهتری می خواهیم (می خندد)، همه ما به ارتباطات بهتری نیاز داریم.

بنیانگذاران ارتباطات کوانتومی دانشمندان روسی شما هستند و دیدگاهی که آنها چندین دهه پیش بیان کردند اکنون با موفقیت تسلط یافته است.

دانش عملی یک چیز است، اما چگونگی توسعه کیهان نیز بسیار جالب است!.. سفر در زمان بر اساس دوربری کوانتومی است. ما در واقع می توانیم سفر در زمان واقعی را نشان دهیم. اما یک پارادوکس معروف وجود دارد: مرد جوانی به گذشته برمی گردد، جایی که پدربزرگش را ملاقات می کند و به طور تصادفی او را می کشد. این "پدربزرگ" پسری ندارد اما پسر خودش را دارد که ما او را به گذشته فرستادیم ... چه اتفاقی می افتد؟

ما سعی کردیم برای چند میلی ثانیه یک فوتون را به گذشته ای نه چندان دور پرتاب کنیم تا خودش را بکشد.

و چی؟ آیا فوتون مرد؟ فوتون ها، میلیاردها فوتون مردند! فقط یکی زنده ماند - همانی که پرتاب کردیم تا به عقب برگردیم و دوباره فوتون های زیادی را بکشیم... بنابراین... اینجا چیزی برای فکر کردن وجود دارد!

سوالات مخاطبان. مرد جوان از لوید پرسید: همه ما از رایانه استفاده می کنیم و روی آنها ویروس وجود دارد. چه چیزی می تواند برای ما ویروس باشد؟

ست لوید: (می خندد) ما ویروس هستیم! (حضار هم می خندند)

مکانیک کوانتومی خیلی عجیب است... در مکانیک کوانتومی، یک الکترون می تواند همزمان در دو مکان باشد. آن 0 و 1 (بیت) به طور همزمان وجود خواهند داشت. این تنها تفاوت با یک کامپیوتر معمولی است.

سوال دیگری توسط مرد جوان دیگری پرسیده شد: در رایانه های معمولی، گرمایش اصلی هنگام پاک کردن اطلاعات رخ می دهد. این مشکل در کامپیوتر کوانتومی چگونه حل می شود؟

شیث (می خندد): به همین دلیل آمدن به روسیه خطرناک است! مردم اینجا بیش از حد باهوش هستند! این را می دانید!.. حق با شماست، اساس منشأ گرما جایی است که پاک شدن بیت ها اتفاق می افتد.

ست لوید: مهمترین الگوریتمی که می خواهیم بفهمیم این است که قوانین فیزیکی جهان چگونه برنامه ریزی شده اند.

این سوال توسط یک خانم پرسیده شد: من از تحقیقات شما بسیار نگران شدم! خیلی! چیزهایی هست که خطرناک است. و خودت گفتی که انسان یک ویروس است. آیا این به یک تقابل تبدیل خواهد شد؟

ست لوید: ممنون از سوال! در حال حاضر مردم در جهان هم قوی هستند و هم ضعیف. ما قادر به کنترل ماده هستیم. اما نمی توانیم به درستی از آن استفاده کنیم.

اما نمی‌توانیم جهان را برنامه‌ریزی کنیم. در حال حاضر ما در حال تغییر آب و هوای زمین هستیم. وظیفه ما این است که برای جهان ویروس دوست باشیم و آن را به درستی برنامه ریزی کنیم!

سوال دیگر: آیا اراده آزاد وجود دارد؟

ست لوید: سوال خوبی است. اگر چیزی بتواند از خود این سوال را بپرسد که من چه تصمیمی خواهم گرفت، پس این چیزی در حال حاضر نمی داند چه تصمیمی خواهد گرفت. این جواب برای من است. نمی دانیم چه تصمیمی خواهیم گرفت...

فکر می کنم آیفون من هم معتقد است که اراده آزاد دارد... اما من کی هستم که اینطور فکر نکنم؟

آن مرد همچنین یک سوال در مورد گرانش کوانتومی داشت.

ست لوید: یک بار دیگر! روشنفکران خطرناک توجه مخاطب را به خود جلب کرده اند...(خنده)

گرانش کوانتومی منطقه ای است که می توان آن را با پرتگاه مقایسه کرد. مثل این است که شما به یک سیاهچاله نگاه می کنید و نمی خواهید آن شما را به داخل بکشد.

دنیا پر از اطلاعات بیهوده است... هیچ جا ناپدید نمی شود...

ما رابطی با کیهان داریم. چشم ما، حس بویایی. اینها فرآیندهای مکانیکی کوانتومی هستند.

نه تنها جهان یک کامپیوتر مکانیکی کوانتومی است، بلکه ما به صورت مکانیکی کوانتومی با آن تعامل داریم. اگر مغز ما می توانست ...

ارائه به پایان رسید. مردم دور شیث را احاطه کردند، امضای او را گرفتند، سؤال کردند... خب. خب، دوستان عزیز، در این مدت، مغزم را با کتاب ست لوید «برنامه‌نویسی» می‌کنم. علاوه بر این، من همیشه به فلسفه جهان کوانتومی و تأثیر ادراک انسان بر واقعیت علاقه مند بوده ام.

تا دفعه بعد!

برای دریافت مقالات جدید وبلاگ، فرم را در ستون سمت راست پر کنید.

با احترام، گالینا کونیشوا.

مطالب موضوعی: