Morgendagens computer, i går

Næsten 50 fysikere og dataloger var samlet til den historiske konference i 1981 i Endicott House. (Rul ned for at se deres navne.) CHARLIE BENNETT / IBM

Quantum computing, som vi kender det, startede for 40 år siden i foråret ved den første Physics of Computation-konference, arrangeret på MITs Endicott House af MIT og IBM og deltog af næsten 50 forskere fra computer- og fysik - to grupper, der sjældent gned skuldrene.

Tyve år tidligere, i 1961, havde en IBM-forsker ved navn Rolf Landauer fundet en grundlæggende sammenhæng mellem de to felter: han beviste, at hver gang en computer sletter en smule information, produceres der en lille smule varme, svarende til entropistigningen i systemet. I 1972 hyrede Landauer den teoretiske datalog Charlie Bennett, som viste, at stigningen i entropi kan undgås af en computer, der udfører sine beregninger på en reversibel måde. Mærkeligt nok var Ed Fredkin, MIT-professoren, der var med til at sponsorere Endicott-konferencen med Landauer, nået frem til den samme konklusion uafhængigt, selv om han aldrig havde opnået en bachelorgrad. Faktisk overser de fleste genfortællinger af kvantecomputerens oprindelseshistorie Fredkins centrale rolle.

Fredkins usædvanlige karriere begyndte, da han meldte sig ind på California Institute of Technology i 1951. Selvom han var strålende på sine optagelsesprøver, var han ikke interesseret i lektier - og måtte arbejde to job for at betale undervisning. Da han klarede sig dårligt i skolen og løb tør for penge, trak han sig i 1952 og meldte sig til luftvåbnet for at undgå at blive udnævnt til Koreakrigen.

Et par år senere sendte luftvåbnet Fredkin til MIT Lincoln Laboratory for at hjælpe med at teste det begyndende SAGE luftforsvarssystem. Han lærte computerprogrammering og blev hurtigt en af ​​de bedste programmører i verden - en gruppe, der sandsynligvis kun talte omkring 500 på det tidspunkt.

Da han forlod luftvåbnet i 1958, arbejdede Fredkin hos Bolt, Beranek og Newman (BBN), som han overbeviste om at købe de første to computere, og hvor han lærte MIT-professorerne Marvin Minsky og John McCarthy at kende, som sammen stort set havde etableret inden for kunstig intelligens. I 1962 fulgte han med dem til Caltech, hvor McCarthy holdt en tale. Der mødtes Minsky og Fredkin med Richard Feynman ’39, som ville vinde Nobelprisen i fysik i 1965 for sit arbejde med kvanteelektrodynamik. Feynman viste dem en håndskrevet notesbog fyldt med beregninger og udfordrede dem til at udvikle software, der kunne udføre symbolske matematiske beregninger.

Fredkin forlod BBN i 1962 og startede Information International Incorporated, en af ​​verdens første AI-startups. Da Triple-I blev offentlig i 1968, og Fredkin blev millionær, rekrutterede Minsky ham til at blive associeret direktør for hans AI Lab på MIT. Tre år senere blev Fredkin direktør for Project MAC, stamfader for MIT's Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). MIT gjorde ham til fuld professor på trods af hans mangel på akademiske akkreditiver. Men det blev Fredkin også hurtigt træt af, så i 1974 tog han tilbage til Caltech for at tilbringe et år med Feynman. Aftalen var, at Fredkin skulle undervise i Feynman i computing, og Feynman ville undervise Fredkin i kvantefysik.

Fredkin kom til at forstå kvantefysik, men han troede ikke på det. Han mente, at virkelighedens struktur ikke kunne være baseret på noget, der kunne beskrives ved en kontinuerlig måling. Kvantemekanikken hævder, at mængder som ladning og masse er kvantificeret - opbygget af diskrete, tællelige enheder, der ikke kan underinddeles - men at ting som rum, tid og bølgeligninger er grundlæggende kontinuerlige. Fredkin derimod mente (og mener stadig) med næsten religiøs overbevisning, at rum og tid også skal kvantiseres, og at virkelighedens grundlæggende byggesten således er beregning. Virkeligheden skal være en computer! I 1978 underviste Fredkin i et kandidatkursus ved MIT kaldet Digital Physics, som udforskede måder at omarbejde moderne fysik efter sådanne digitale principper.

Feynman forblev dog ikke overbevist om, at der var meningsfulde forbindelser mellem databehandling og fysik ud over at bruge computere til at beregne algoritmer. Så da Fredkin bad sin ven om at holde hovedtalen på konferencen i 1981, nægtede han i første omgang. Da han blev lovet, at han kunne tale om, hvad han ville, ændrede Feynman sig dog - og fremlagde sine ideer til, hvordan de to felter kunne forbindes i en detaljeret tale, der foreslog en måde at udføre beregninger ved hjælp af selve kvanteeffekter.

Feynman var i begyndelsen ikke overbevist om, at der var meningsfulde forbindelser mellem databehandling og fysik.

Feynman forklarede, at computere er dårligt udstyret til at hjælpe med at simulere og derved forudsige resultatet af eksperimenter i partikelfysik - noget der stadig er sandt i dag. Moderne computere er trods alt deterministiske: Giv dem det samme problem, og de kommer med den samme løsning. Fysik er på den anden side sandsynlighed. Så efterhånden som antallet af partikler i en simulering stiger, tager det eksponentielt længere tid at udføre de nødvendige beregninger på mulige output. Vejen til at komme videre, hævdede Feynman, var at bygge en computer, der udførte sine probabilistiske beregninger ved hjælp af kvantemekanik.

Feynman havde ikke forberedt et formelt papir til konferencen, men med hjælp fra Norm Margolus, PhD '87, en kandidatstuderende i Fredkins gruppe, som optog og transskriberede, hvad han sagde der, blev hans foredrag offentliggjort i International Journal of Theoretical Physics under titlen Simulering af fysik med computere. Dette, sammen med Fredkins artikel Conservative Logic, sammen med MIT-forskeren Tommaso Toffoli (og delvist baseret på en Digital Physics semesteropgave skrevet af William Silver '75, SM '80), dannede grundlaget for det begyndende felt.

I 1983 opfandt Bennett og Gilles Brassard, professor ved University of Montreal, det, der nu kaldes kvantekryptografi - en måde at bruge kvantemekanik til at sende information og samtidig forhindre aflytning. Feynman fortsatte i mellemtiden med at udvikle sin idé, som forklaret i et foredrag med titlen Tiny Computers Obeying Quantum Mechanical Laws, som han holdt på både Los Alamos National Laboratory og en konference om optik i 1984.

Alligevel ville kvantecomputere sandsynligvis være forblevet et intellektuelt legetøj, hvis det ikke var for Peter Williston Shor, PhD '85, som i 1994 kom med en tilgang, der kunne bruge en af ​​Feynmans endnu ikke-byggede kvantecomputere og en eller anden smart talteori til at hurtigt faktor et stort antal. Dette fik regeringer og virksomheders interesse, da sikkerheden i næsten alle moderne kryptografiske systemer afhænger af, at det er let at multiplicere to meget store primtal sammen, men ekstraordinært svært at bryde produktet tilbage i dets primtal. Med Shor's Algorithm (som det nu hedder) og en stor nok kvantecomputer at køre den på, ville denne opgave blive enkel, og de fleste af verdens fortrolige data, der bevæger sig over æteren og på tværs af internettet, kunne let dekrypteres, når de først blev opsnappet.

Ud over at afføde banebrydende papirer på området, gav konferencen i 1981 også et foto af nogle af de største tænkere inden for databehandling og fysik i live i 1981. Billedet er taget på Endicott Houses græsplæne og inkluderer Feynman og Fredkin; Freeman Dyson, en af ​​de mest talentfulde fysikere i det 20. århundrede; Konrad Zuse, den tyske ingeniør, der havde bygget verdens første fuldt programmerbare automatiske digitale computer i 1941; Hans Moravec, som netop havde bygget en robot, der kunne navigere efter synet; Danny Hillis ’78, SM ’81, PhD ’88, som fortsatte med at stifte Thinking Machines og ansatte Feynman som sin første medarbejder; og mange andre, der nu er kendte navne (i det mindste hos dataloger og fysikere). Det minder om det berømte fotografi fra 1927 fra den femte Solvay-konference om elektroner og fotoner, der viser Albert Einstein, Niels Bohr, Pauli, Heisenberg og andre ledende skikkelser inden for kvantemekanikkens begyndende felt.

Ak, Charlie Bennett er ikke på billedet: han er den person, der har taget billedet.

Physics of Computation Conference, Endicott House, MIT, 6.-8. maj, 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 udlånt af Charles Bennett)

Redaktørens note: Simson Garfinkel afslørede denne historie, mens han undersøgte sin bog Lov og politik for kvantealderen , medforfatter med Chris Hoofnagle (kommer fra Cambridge University Press).

skjule