211service.com
Morgendagens datamaskin, i går
Nesten 50 fysikere og datavitere samlet seg til den historiske konferansen i 1981 på Endicott House. (Rull ned for å se navnene deres.) CHARLIE BENNETT / IBM
Kvantedatabehandling slik vi kjenner den startet for 40 år siden denne våren på den første Physics of Computation-konferansen, organisert på MITs Endicott House av MIT og IBM og deltatt av nesten 50 forskere fra databehandling og fysikk – to grupper som sjelden gnidd seg.
Tjue år tidligere, i 1961, hadde en IBM-forsker ved navn Rolf Landauer funnet en grunnleggende kobling mellom de to feltene: han beviste at hver gang en datamaskin sletter litt informasjon, produseres det en liten bit av varme, tilsvarende entropiøkningen i systemet. I 1972 ansatte Landauer den teoretiske informatikeren Charlie Bennett, som viste at økningen i entropi kan unngås av en datamaskin som utfører sine beregninger på en reversibel måte. Merkelig nok hadde Ed Fredkin, MIT-professoren som sponset Endicott-konferansen med Landauer, kommet frem til den samme konklusjonen uavhengig, til tross for at han aldri hadde oppnådd en lavere grad. Faktisk overser de fleste gjenfortellinger av kvantedatabehandlingens opprinnelseshistorie Fredkins sentrale rolle.
Fredkins uvanlige karriere begynte da han meldte seg inn ved California Institute of Technology i 1951. Selv om han var strålende på opptaksprøvene, var han ikke interessert i lekser – og måtte jobbe to jobber for å betale skolepenger. Da han gjorde det dårlig på skolen og gikk tom for penger, trakk han seg i 1952 og vervet seg til luftforsvaret for å unngå å bli innkalt til Korea-krigen.
Noen år senere sendte luftforsvaret Fredkin til MIT Lincoln Laboratory for å hjelpe til med å teste det begynnende luftforsvarssystemet SAGE. Han lærte seg dataprogrammering og ble snart en av de beste programmererne i verden – en gruppe som sannsynligvis bare var rundt 500 på den tiden.
Da han forlot flyvåpenet i 1958, jobbet Fredkin hos Bolt, Beranek og Newman (BBN), som han overbeviste om å kjøpe de to første datamaskinene, og hvor han ble kjent med MIT-professorene Marvin Minsky og John McCarthy, som sammen hadde etablert ganske mye. feltet kunstig intelligens. I 1962 fulgte han dem til Caltech, hvor McCarthy holdt en tale. Der møtte Minsky og Fredkin Richard Feynman ’39, som skulle vinne Nobelprisen i fysikk i 1965 for sitt arbeid med kvanteelektrodynamikk. Feynman viste dem en håndskrevet notatbok fylt med beregninger og utfordret dem til å utvikle programvare som kunne utføre symbolske matematiske beregninger.
Fredkin forlot BBN i 1962 og startet Information International Incorporated, en av verdens første AI-startups. Da Triple-I ble offentlig i 1968 og Fredkin ble millionær, rekrutterte Minsky ham til å bli assisterende direktør for hans AI Lab ved MIT. Tre år senere ble Fredkin direktør for Project MAC, stamfaderen til MITs Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). MIT gjorde ham til full professor, til tross for hans mangel på akademisk legitimasjon. Men Fredkin ble snart lei av det også, så i 1974 dro han tilbake til Caltech for å tilbringe et år med Feynman. Avtalen var at Fredkin skulle lære Feynman databehandling, og Feynman skulle lære Fredkin kvantefysikk.
Fredkin begynte å forstå kvantefysikk, men han trodde det ikke. Han mente virkelighetens struktur ikke kunne være basert på noe som kunne beskrives ved en kontinuerlig måling. Kvantemekanikk hevder at mengder som ladning og masse er kvantisert - laget av diskrete, tellbare enheter som ikke kan deles inn - men at ting som rom, tid og bølgeligninger er fundamentalt kontinuerlige. Fredkin, derimot, mente (og tror fortsatt) med nærmest religiøs overbevisning at rom og tid også må kvantiseres, og at virkelighetens grunnleggende byggestein dermed er beregning. Virkeligheten må være en datamaskin! I 1978 underviste Fredkin i et hovedfagskurs ved MIT kalt Digital Physics, som utforsket måter å omarbeide moderne fysikk etter slike digitale prinsipper.
Feynman forble imidlertid ikke overbevist om at det var meningsfulle forbindelser mellom databehandling og fysikk utover å bruke datamaskiner til å beregne algoritmer. Så da Fredkin ba vennen sin om å holde hovedtalen på konferansen i 1981, nektet han først. Da han ble lovet at han kunne snakke om hva han ville, ombestemte Feynman seg – og la ut ideene sine for hvordan de to feltene kunne kobles sammen i en detaljert tale som foreslo en måte å utføre beregninger ved å bruke kvanteeffekter selv.
Feynman var først ikke overbevist om at det var meningsfulle forbindelser mellom databehandling og fysikk.
Feynman forklarte at datamaskiner er dårlig utstyrt for å hjelpe simulere, og dermed forutsi, utfallet av eksperimenter i partikkelfysikk - noe som fortsatt er sant i dag. Moderne datamaskiner er tross alt deterministiske: gi dem det samme problemet, og de kommer opp med den samme løsningen. Fysikk, derimot, er sannsynlighet. Så ettersom antallet partikler i en simulering øker, tar det eksponentielt lengre tid å utføre de nødvendige beregningene på mulige utdata. Måten å gå videre, hevdet Feynman, var å bygge en datamaskin som utførte sine sannsynlige beregninger ved hjelp av kvantemekanikk.
Feynman hadde ikke utarbeidet et formelt papir for konferansen, men med hjelp av Norm Margolus, PhD '87, en doktorgradsstudent i Fredkins gruppe som registrerte og transkriberte det han sa der, ble foredraget hans publisert i International Journal of Theoretical Physics under tittelen Simulering av fysikk med datamaskiner. Dette, sammen med Fredkins artikkel Conservative Logic, skrevet sammen med MIT-forsker Tommaso Toffoli (og delvis basert på en Digital Physics semesteroppgave skrevet av William Silver '75, SM '80), dannet grunnlaget for det begynnende feltet.
I 1983 oppfant Bennett og Gilles Brassard, professor ved University of Montreal, det som nå kalles kvantekryptografi - en måte å bruke kvantemekanikk for å sende informasjon samtidig som de forhindrer avlytting. Feynman fortsatte i mellomtiden å utvikle ideen sin, som forklart i en tale med tittelen Tiny Computers Obeying Quantum Mechanical Laws som han holdt på både Los Alamos National Laboratory og en konferanse om optikk i 1984.
Likevel ville kvantedatamaskiner sannsynligvis ha forblitt en intellektuell lekegreie hvis det ikke var for Peter Williston Shor, PhD '85, som i 1994 kom opp med en tilnærming som kunne bruke en av Feynmans ennå ubygde kvantedatamaskiner og noen smarte tallteorier for å raskt faktor et stort antall. Dette fikk regjeringer og selskapers interesse, siden sikkerheten til nesten alle moderne kryptografiske systemer avhenger av det faktum at det er lett å multiplisere sammen to veldig store primtall, men ekstraordinært vanskelig å bryte produktet tilbake til primfaktorene. Med Shors algoritme (som den nå heter) og en stor nok kvantedatamaskin å kjøre den på, ville denne oppgaven blitt enkel, og mesteparten av verdens konfidensielle data som beveger seg over eteren og over Internett, kunne lett dekrypteres når de ble fanget opp.
I tillegg til å gyte banebrytende papirer på feltet, ga konferansen i 1981 også et bilde av noen av de største tenkerne innen databehandling og fysikk i live i 1981. Bildet er tatt på plenen til Endicott House, og inkluderer Feynman og Fredkin; Freeman Dyson, en av de mest talentfulle fysikerne i det 20. århundre; Konrad Zuse, den tyske ingeniøren som hadde bygget verdens første helprogrammerbare automatiske digitale datamaskin i 1941; Hans Moravec, som nettopp hadde bygget en robot som kunne navigere etter synet; Danny Hillis ’78, SM ’81, PhD ’88, som fortsatte med å grunnlegge Thinking Machines og ansatte Feynman som sin første ansatt; og mange andre som nå er kjente navn (i det minste i husholdningene til informatikere og fysikere). Det minner om det berømte fotografiet fra 1927 fra den femte Solvay-konferansen om elektroner og fotoner som viser Albert Einstein, Niels Bohr, Pauli, Heisenberg og andre ledende skikkelser innen kvantemekanikkens begynnende felt.
Dessverre, Charlie Bennett er ikke på bildet: han er personen som tok bildet.
Physics of Computation Conference, Endicott House, MIT, 6.–8. mai 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. (Foto med tillatelse av Charles Bennett)
Redaktørens notat: Simson Garfinkel avdekket denne historien mens han undersøkte boken sin Lov og politikk for kvantealderen , medforfatter med Chris Hoofnagle (kommer fra Cambridge University Press).