Смерть американского ученого-компьютерщика и физика Эдварда Фредкина в июне этого года осталась в основном незамеченной, за исключением запоздалого некролога в New York Times. И все же, несмотря на то, что имя Фредкина так и не стало нарицательным, в отличие от некоторых его современников, оно оказало огромное влияние на обе дисциплины, которыми он занимался.

Многие все еще сомневаются в его главном утверждении: что законы физики, да и самой Вселенной, по сути, являются результатом компьютерного алгоритма. Но ‘цифровая физика’, которую отстаивал Фредкин, превратилась из запредельной в почти мейнстрим. “В то время считалось совершенно безумной идеей, что вычислительная техника может научить вас чему-либо в физике”, – говорит Норман Марголус, канадский специалист по информатике, который долгое время сотрудничал с Фредкиным и был его единственным аспирантом по физике. “С тех пор мир эволюционировал, и сейчас все это очень респектабельно”.

Отчисленный из Калифорнийского технологического института (Caltech) в Пасадене после первого курса, Фредкин поступил на службу в ВВС США в 1953 году, став пилотом истребителя и в конечном итоге инструктором элитного корпуса пилотов реактивных самолетов плотного построения. Военно-воздушные силы приобщили его к информатике, отправив в 1956 году в лабораторию Линкольна Массачусетского технологического института (MIT) в Лексингтоне для работы над использованием компьютеров для обработки радиолокационной информации, необходимой пилотам. Уволившись из ВВС в 1958 году, Фредкин присоединился к новаторской вычислительной компании Bolt Beranek & Newman, базирующейся в Кембридже, штат Массачусетс, — ныне являющейся частью Raytheon, — где, среди прочих проектов, он написал ранний язык ассемблера и участвовал в исследованиях в области искусственного интеллекта (ИИ). После основания собственной компании Information International, специализирующейся на оборудовании и программном обеспечении для обработки изображений, он вернулся в Массачусетский технологический институт в 1968 году в качестве полноправного профессора, несмотря на то, что у него даже не было степени бакалавра.

Фредкин закончил тем, что возглавил Project MAC, исследовательский институт, который превратился в лабораторию вычислительной техники Массачусетского технологического института. Эта должность была лишь одной из широкого портфолио. “Он многое сделал в реальном мире”, – говорит Марголус, ныне независимый исследователь, связанный с Массачусетским технологическим институтом. В их число входило управление его компанией, проектирование системы обратного осмоса для компании по опреснению воды и управление New England Television, филиалом ABC в Бостоне, штат Массачусетс. По словам Марголуса, Фредкина, ограниченного по контракту одним днем в неделю для занятий вне дома, иногда неделями не видели.

Дальновидное мышление

В конце 1960-х годов искусственный интеллект все еще был в основном теоретической концепцией, однако Фредкин рано осознал политические вызовы, которые создают машины, способные к обучению и автономному принятию решений, в том числе для национальной безопасности. Он выступал за международное сотрудничество в области исследований искусственного интеллекта, признавая, что ранний консенсус относительно того, как следует использовать технологию, предотвратит проблемы в будущем. Однако попытки созвать международную встречу ведущих мыслителей в этой области так и не увенчались успехом — неудача, которая находит отклик по сей день.

В 1974 году Фредкин покинул Массачусетский технологический институт и провел год в качестве выдающегося ученого в Калифорнийском технологическом институте, где он подружился с физиками Ричардом Фейнманом и Стивеном Хокингом. Затем он получил штатную должность преподавателя в Университете Карнеги-Меллона в Питтсбурге, штат Пенсильвания, а позже вторую должность в Бостонском университете. Именно с тех пор он начал работать над обратимыми вычислениями.

Эдвард Фредкин видел несколько пределов того, что могут объяснить вычисления.Автор: Школа компьютерных наук / Университет Карнеги-Меллона

В то время обратимые вычисления широко считались невозможными. Обычный цифровой компьютер собран из массива логических элементов — AND, OR, XOR и так далее, — В которых, как правило, два входа становятся одним выходом. Входная информация стирается, выделяя тепло, и процесс не может быть обращен вспять. Совместно с Марголусом и молодым итальянским инженером-электриком Томмазо Тоффоли Фредкин показал, что определенные элементы с тремя входами и тремя выходами — которые стали известны как элементы Фредкина и Тоффоли — могут быть устроены таким образом, что все промежуточные этапы любого возможного вычисления могут быть сохранены, что позволяет по завершении процесса обратить вспять. Как они изложили в основополагающей статье 1982 года, компьютер, построенный с использованием этих вентилей, мог бы, по крайней мере теоретически, не выделять ненужного тепла и, следовательно, не потреблять энергию1.

Поначалу это казалось не более чем любопытством. Фредкин чувствовал, что концепция может помочь в разработке более эффективных компьютеров с меньшим расходом тепла, но не было практического способа полностью реализовать идею с использованием классических компьютеров. Однако в 1981 году история сделала новый поворот, когда Фредкин и Тоффоли организовали симпозиум по физике вычислений в Массачусетском технологическом институте. Фейнман был среди присутствующих светил. В ставшем известным докладе он предположил, что вместо того, чтобы пытаться моделировать квантовые явления с помощью обычных цифровых компьютеров, некоторые физические системы, демонстрирующие квантовое поведение, могли бы быть лучшими инструментами.

Многие считают, что это выступление открывает эру квантовых компьютеров, которые используют всю мощь квантовой механики для решения определенных проблем — таких, как проблема квантового моделирования, к которой обращался Фейнман, – намного быстрее, чем это может сделать любой классический компьютер. Четыре десятилетия спустя небольшие квантовые компьютеры находятся в стадии разработки. Электроника, лазеры и системы охлаждения, необходимые для их работы, потребляют много энергии, но сами квантовые логические операции практически не требуют потерь.

Цифровая физика

Обратимое вычисление “действительно было необходимым предварительным условием для создания квантовых компьютеров”, – говорит Сет Ллойд, инженер-механик из Массачусетского технологического института, который в 1993 году разработал то, что считается первой реализуемой концепцией квантового компьютера2. Хотя физик IBM Чарльз Беннетт также создал модели обратимых вычислений, добавляет Ллойд, именно версии с нулевым рассеянием, описанные Фредкиным, Тоффоли и Марголусом, в конечном итоге стали моделями, на которых были построены квантовые вычисления.

В своей статье 1982 года Фредкин и Тоффоли начали развивать свою работу по обратимым вычислениям в несколько ином направлении. Все началось с кажущейся несерьезной аналогии: бильярдный стол. Они показали, как математические вычисления могут быть представлены полностью обратимыми взаимодействиями бильярдных шаров, предполагая, что стол без трения и шары взаимодействуют без трения.

Это физическое проявление обратимой концепции выросло из идеи Тоффоли о том, что вычислительные концепции могут быть лучшим способом инкапсуляции физики, чем дифференциальные уравнения, традиционно используемые для описания движения и изменений. Фредкин пошел еще дальше, придя к выводу, что всю Вселенную на самом деле можно рассматривать как своего рода компьютер. По его мнению, это был “клеточный автомат”: набор вычислительных битов, или ячеек, которые могут переключать состояния в соответствии с определенным набором правил, определяемых состояниями окружающих их ячеек. Со временем эти простые правила могут породить все сложности космоса — даже жизнь.

Он был не первым, кто играл с подобными идеями. Конрад Цузе — немецкий инженер—строитель, который перед Второй мировой войной разработал один из первых программируемых компьютеров, – предположил в своей книге 1969 года “Вычисление пространства “, что Вселенную можно рассматривать как классический цифровой клеточный автомат. Фредкин и его коллеги сосредоточенно разрабатывали концепцию, потратив годы на поиск примеров того, как простые вычислительные правила могут порождать все явления, связанные с субатомными частицами и силами3.

Не все были впечатлены. Марголус рассказывает, что известный физик Филип Моррисон, в то время также преподававший в Массачусетском технологическом институте, сказал студентам Фредкина, что Фредкин был специалистом по информатике, поэтому он думал, что мир – это большой компьютер, но если бы он был торговцем сыром, он подумал бы, что мир – это большой сыр. Когда британский специалист по информатике Стивен Вольфрам предложил аналогичные идеи в своей книге 2002 года “Новый вид науки“, Фредкин отреагировал, сказав: “Вольфрам – первый значительный человек, который поверил в эту чушь. Я был очень одинок ”.

По правде говоря, однако, Вольфрам был не одинок в исследовании идей. В то время как сам Фредкин первоначально использовал фразу ‘цифровая физика’, а позже ‘цифровая философия’, современные вариации на эту тему используют такие термины, как ‘панкомпьютационализм’ и ‘цифровизм’. Их поддержали исследователи, в том числе голландский лауреат Нобелевской премии по физике Джерард ‘т Хоофт и американский физик Джон Уилер, чья знаменитая поговорка “это от бита” является емким выражением гипотезы.

В квантовую сферу

Некоторые, включая Марголуса, продолжали развивать классическую версию теории. Другие пришли к выводу, что классическая вычислительная модель не может быть ответственна за сложности Вселенной, которую мы наблюдаем. По словам Ллойда, оригинальная теория цифровой вселенной Фредкина имеет “очень серьезные препятствия на пути к тому, чтобы классическая цифровая вселенная была способна постичь квантовомеханические явления”. Но замените классические вычислительные правила цифровой физики Фредкина на квантовые правила, и многие из этих проблем исчезнут. Вы можете уловить внутренние особенности квантовой Вселенной, такие как запутанность между двумя квантовыми состояниями, разделенными в пространстве, так, как этого не может сделать теория, построенная на классических идеях.

Ллойд поддерживал эту идею в серии статей, начиная с 1990-х годов, а также в книге 2006 года “Программирование Вселенной“. Кульминацией стал всеобъемлющий отчет о том, как правила квантовых вычислений могут объяснять известные законы физики — теорию элементарных частиц, стандартную модель физики элементарных частиц и, возможно, даже святой грааль фундаментальной физики: квантовую теорию гравитации4.

Такие предположения сильно отличаются от более поздней идеи о том, что мы живем в компьютерной симуляции, выдвинутой, среди прочих, шведским философом Ником Бостром из Оксфордского университета, Великобритания5. В то время как цифровая Вселенная утверждает, что основные начальные условия и правила вычислительной вселенной возникли естественным образом, во многом подобно тому, как частицы и силы традиционной физики естественным образом возникли при Большом взрыве и его последствиях, гипотеза моделирования утверждает, что Вселенная была преднамеренно сконструирована некоторыми высокоразвитыми разумными инопланетными программистами, возможно, как некий грандиозный эксперимент или даже как своего рода игра — неправдоподобно сложная задача, по мнению Ллойда.

Основная идея цифровой Вселенной может быть просто проверяемой. Для того чтобы космос был создан системой битов данных в крошечном масштабе Планка — масштабе, в котором, как ожидается, разрушатся нынешние физические теории, — пространство и время должны состоять из дискретных, квантованных объектов. Эффект такого гранулированного пространства-времени может проявляться в крошечных различиях, например, в том, сколько времени требуется свету различных частот для распространения на миллиарды световых лет. Однако для реального закрепления идеи, вероятно, потребовалась бы квантовая теория гравитации, которая устанавливает взаимосвязь между эффектами общей теории относительности Эйнштейна на макромасштабе и квантовыми эффектами на микромасштабе. Это до сих пор ускользало от теоретиков. Здесь цифровая вселенная может просто выручить сама себя. Предпочтительные пути к квантовым теориям гравитации постепенно начинают выглядеть более вычислительными по своей природе, говорит Ллойд — например, голографический принцип, введенный ‘т Хуфтом, который утверждает, что наш мир является проекцией реальности более низкого измерения. “Кажется обнадеживающим, что идеи квантовой цифровой вселенной смогут пролить некоторый свет на некоторые из этих тайн”, – говорит Ллойд.

Это был бы всего лишь последний поворот в нетрадиционной истории. Сам Фредкин считал, что отсутствие у него обычного образования в области физики отчасти позволило ему выработать свои особые взгляды на предмет. Ллойд склонен согласиться. “Я думаю, если бы у него было более традиционное образование, если бы он продвинулся по служебной лестнице и прослушал стандартные курсы физики и так далее, возможно, он выполнял бы менее интересную работу”.