Vesolje kot kvantni računalnik

    Ko je bila pred mnogimi stoletji mehanska ura najbolj zapletena naprava, kar so jih ljudje poznali, so si tudi vesolje predstavljali kot velikansko uro. Med strokovnjaki tistega časa se je vnela celo zelo resna razprava o tem, ali mora Bog mehanizem vesoljne ure občasno znova naviti ali lahko teče kar sam od sebe.

    Danes imamo vsak dan opravka z mnogimi napravami, ki so bistveno bolj zapletene kot mehanske ure, a si vseeno vesolja ne zamišljamo kot mobitela ali kake podobne “čudežne igračke” našega časa. Čeprav navadni smrtniki res ne razmišljamo o zgradbi sveta na tak način, pa to ne velja tudi za nekatere znanstvenike. Seth Lloyd, profesor fizike s slavnega ameriškega inštituta MIT, je pred kratkim zaslovel, ko je svoja razmišljanja o vesolju kot ogromnem kvantnem računalniku opisal v knjigi Programming the Universe: A Quantum Computer Scientist Takes on the Cosmos (Vintage 2007).

    Bodo računalniki vedno boljši?

    Vsi, ki danes redno uporabljamo računalnike, se dobro zavedamo, da lahko vsakih nekaj mesecev za isto ceno dobimo vedno bolj zmogljive naprave. Zadnjega pol stoletja se je hitrost delovanja računalnikov podvojila na približno leto in pol. Po nekdanjem direktorju podjetja Intel Gordonu Mooru, ki je to pravilo razvoja računalniške industrije opazil že v šestdesetih letih, so ga poimenovali “Moorov zakon”. Seveda pa pri tem zakonu ne gre za kakšno naravno zakonitost, ampak pravilo opisuje le iznajdljivost računalniških inženirjev, ki so sposobni na vsakih osemnajst mesecev toliko pomanjšati in pohitriti računalniške čipe, da delujejo še enkrat hitreje. Vsakih petnajst let se je tako hitrost podvojila desetkrat oziroma skupaj za faktor tisoč. Današnji računalniki so milijardokrat hitrejši kot prvi okorni praračunalniki izpred pol stoletja.

    Iskanje vedno novih izboljšav nikakor ni preprosto, saj je vedno manjše žice, tranzistorje in podobne elektronske elemente v čipih tudi vedno težje kontrolirati. Moorov zakon so zato že večkrat razglasili za mrtvega, ko so naleteli na tehnični problem, ki se je zdel tisti trenutek nerešljiv. A vedno znova se je našel kak genialni znanstvenik oziroma inženir, ki je iznašel način, kako so se lahko na videz nerešljivi težavi izognili.

    Če bo inženirjem uspelo slediti Moorovemu zakonu izboljševanja računalnikov, bodo osnovni elementi čipov, ki dejansko izvajajo računanje, dosegli majhnost sveta atomov v približno štiridesetih letih. Takrat bo proces pomanjševanja dosegel mejo, ki je tudi najbolj pametni inženirji ne bodo mogli preseči. Manjših gradnikov, kot so atomi, iz katerih bi lahko gradili računalnike, na Zemlji in tudi drugje v vesolju preprosto ni.

    Vendar fizična meja majhnosti še ni vse, kar vpliva na delovanje in hitrost računalnika. V svetu atomov veljajo namreč drugačna pravila obnašanja kot v našem vsakdanjem svetu, na katerega smo navajeni. V mikrosvetu atomov so delci lahko tudi na dveh krajih hkrati, potujejo po več poteh naenkrat in izvajajo druge nenavadne čarovnije, ki jih natančno opisuje kvantna fizika. In ko bodo gradniki računalnikov enkrat dosegli raven atomov, bodo tudi računalniki lahko uporabljali to za nas nenavadno kvantno logiko delovanja, kar bo lahko nekatere izračune še bistveno pohitrilo. Danes že preizkušajo prve zelo preproste kvantne računalnike, ki jih sestavlja le nekaj atomov, in eden največjih strokovnjakov za to področje znanosti je prav že omenjeni Seth Lloyd.

    Najboljši računalnik v vesolju

    Lloyd se v knjigi med drugim sprašuje tudi, kakšna je skrajna meja računske zmogljivosti, do katere še lahko “navijemo” posamezen računalnik pod pogojem, da nam predstavljajo ovire le zakoni narave in ne kakršnekoli druge tehnične težave. Zamisli si “ultimativni prenosnik” (the ultimate laptop), ki ga definira preprosto tako, da ima maso en kilogram in volumen en liter, kar približno ustreza današnjim prenosnim računalnikom, najpomembnejša lastnost tega teoretično najboljšega računalnika v vesolju pa je, da v njem prav vsak atom oziroma osnovni delec služi namenu računanja.

    Zanima ga, kako oceniti zgornjo mejo računskih zmožnosti takega računalnika. Bistvena omejitev hitrosti izvajanja računskih operacij, ki jo obravnava, je zaloga energije. Več ko ima neki delec, ki nosi informacijo, energije, hitreje se giblje in zato lahko hitreje izvaja tudi računske operacije. Lloyd oceni zgornjo mejo energije, ki jo ima teoretično na voljo takšen ultimativni računalnik, kar po Einsteinovi slavni formuli E = mc2.

    Tako izračuna, da ima ultimativni prenosnik na voljo toliko energije, kot se je sprosti ob eksploziji velike vodikove jedrske bombe. In če bi kdaj takšen računalnik res zagnali, bi bila njegova notranjost dejansko videti kot jedrska eksplozija. Osnovni delci, ki v takšnem računalniku shranjujejo in procesirajo informacije, skačejo okoli pri temperaturi kako milijardo stopinj. Kot pravi Lloyd, bi bil “takšen ultimativni prenosnik videti kot majhen košček velikega poka”.

    Izračunal je tudi, da bi lahko ultimativni prenosnik izvedel deset milijonov milijard milijard milijard milijard milijard operacij na sekundo. To je hkrati tudi skrajna zgornja meja Moorovega zakona. Če bi Moorov zakon veljal tudi v prihodnje, bi ultimativni prenosnik po Lloydu prišel v trgovine nekje okoli leta 2200.

    Na podoben način, kot je ocenil računske zmožnosti ultimativnega prenosnika, lahko oceni tudi računske zmožnosti celotnega vesolja, če ga obravnavamo kot velikanski kvantni računalnik. Kaj če bi za računanje lahko uporabili prav vso materijo in energijo v vesolju? Kako zmogljiv bi bil takšen računalnik? Podobno kot pri ultimativnem prenosniku je tudi tu glavna ovira energija. Zalogo energije v vesolju so astronomi z različnimi meritvami že kar natančno ocenili, čeprav se je, kot vse kaže, večina skriva v zelo eksotičnih oblikah, kot sta temna snov in temna energija. A za oceno, ki jo izvede Lloyd, to niti ni tako pomembno.

    Lloyd je izračunal, da bi računalnik, ki bi ga poganjala vsa energija v vesolju, izvedel 100.000 googol operacij na sekundo. (Googol je zares ogromno število, ki ga zapišemo kot 1, ki ji sledi sto ničel. Po slavni anekdoti sta ustanovitelja Googla želela svoje podjetje poimenovati po tem ogromnem številu, a je eden od njiju po pomoti narobe izpolnil obrazec na upravni enoti.) V 14 milijardah let, odkar obstaja, bi tako lahko kozmični računalnik izvedel 10.000 milijard milijard googol operacij.

    Med simulacijo in resničnostjo ni razlike

    Lloyd se seveda v knjigi ne sprašuje samo, v čem se bodo kvantni računalniki razlikovali od klasičnih, ki jih poznamo danes, ampak tudi, kako se bo recimo simulacija nekega naravnega procesa, ki ga bo izračunaval kvantni računalnik na ravni atomov, sploh razlikovala od razvoja istega procesa v naravi. Pride namreč do ugotovitve, da ni mogoče opaziti razlike med resničnim potekom dogodkov v naravi in simulacijo pojava, ki jo izračunava kvantni računalnik. Kar ne pomeni le, da je kvantni računalnik idealni simulator naravnih pojavov in razvoja vesolja, ampak da lahko tudi za vesolje rečemo, da v resnici ni nič drugega kot kvantni računalnik.

    Kaj pa vesolje sploh izračunava, če si ga predstavljamo kot velikanski kvantni računalnik? Odgovor na to vprašanje nas ne bo presenetil. Vesolje izračunava kar razvoj samega sebe. Informacije v vesolju kot kvantnem računalniku so shranjene v medsebojni razporeditvi in drugih lastnostih, ki jih nosijo sami atomi in subatomski delci, ki napolnjujejo vesolje. Trki in druge interakcije med delci niso v tej prispodobi nič drugega kot računanje, ki ga izvaja vesolje. Ko dva delca trčita in zato spremenita svojo pot ali kake druge lastnosti, je vesolje izvedlo preprost izračun.

    To, da je vesolje ogromen kvantni računalnik, ki izračunava svoj lastni razvoj, pomeni tudi, da se povsem natančno prihodnosti vesolja ne da napovedati. Za natančno simulacijo vesolja bi potrebovali kvantni računalnik, ki bi bil kopija dejanskega vesolja in bi tudi izračunaval svoj lastni razvoj v času, s čimer seveda ne bi nič pridobili.