211service.com
Morgondagens dator, igår
Nästan 50 fysiker och datavetare samlades för den historiska konferensen 1981 i Endicott House. (Bläddra ner för att se deras namn.) CHARLIE BENNETT / IBM
Quantum computing som vi känner den startade för 40 år sedan i våras vid den första Physics of Computation Conference, organiserad på MIT:s Endicott House av MIT och IBM och deltog av nästan 50 forskare från datorer och fysik – två grupper som sällan gnuggade sig.
Tjugo år tidigare, 1961, hade en IBM-forskare vid namn Rolf Landauer funnit en grundläggande koppling mellan de två områdena: han bevisade att varje gång en dator raderar lite information produceras en liten bit värme, vilket motsvarar entropiökningen i systemet. 1972 anställde Landauer den teoretiske datavetaren Charlie Bennett, som visade att ökningen av entropi kan undvikas av en dator som utför sina beräkningar på ett reversibelt sätt. Märkligt nog hade Ed Fredkin, MIT-professorn som sponsrade Endicott-konferensen med Landauer, kommit fram till samma slutsats självständigt, trots att han aldrig ens hade tagit en grundexamen. Faktum är att de flesta återberättelser av kvantdatorns ursprungshistoria förbiser Fredkins centrala roll.
Fredkins ovanliga karriär började när han skrevs in vid California Institute of Technology 1951. Även om han var briljant på sina inträdesprov, var han inte intresserad av läxor – och var tvungen att arbeta två jobb för att betala undervisning. Då han gick dåligt i skolan och fick ont om pengar drog han sig tillbaka 1952 och tog värvning i flygvapnet för att undvika att bli värvad till Koreakriget.
Några år senare skickade flygvapnet Fredkin till MIT Lincoln Laboratory för att hjälpa till att testa det begynnande luftförsvarssystemet SAGE. Han lärde sig datorprogrammering och blev snart en av de bästa programmerarna i världen – en grupp som troligen bara var omkring 500 vid den tiden.
När han lämnade flygvapnet 1958, arbetade Fredkin på Bolt, Beranek och Newman (BBN), som han övertygade om att köpa de två första datorerna och där han lärde känna MIT-professorerna Marvin Minsky och John McCarthy, som tillsammans hade etablerat ganska mycket området artificiell intelligens. 1962 följde han med dem till Caltech, där McCarthy höll ett föredrag. Där träffade Minsky och Fredkin Richard Feynman ’39, som skulle vinna 1965 års Nobelpris i fysik för sitt arbete med kvantelektrodynamik. Feynman visade dem en handskriven anteckningsbok fylld med beräkningar och utmanade dem att utveckla programvara som kunde utföra symboliska matematiska beräkningar.
Fredkin lämnade BBN 1962 och startade Information International Incorporated, en av världens första AI-startups. När Triple-I offentliggjordes 1968 och Fredkin blev miljonär, rekryterade Minsky honom för att bli biträdande direktör för hans AI Lab vid MIT. Tre år senare blev Fredkin chef för Project MAC, stamfadern till MIT:s datavetenskap och artificiell intelligens Laboratory (CSAIL). MIT gjorde honom till professor, trots hans brist på akademiska meriter. Men Fredkin tröttnade snart på det också, så 1974 begav han sig tillbaka till Caltech för att tillbringa ett år med Feynman. Affären var att Fredkin skulle lära ut Feynman att använda datorer, och Feynman skulle lära Fredkin kvantfysik.
Fredkin kom att förstå kvantfysiken, men han trodde inte på det. Han trodde att verkligheten inte kunde baseras på något som kunde beskrivas genom en kontinuerlig mätning. Kvantmekaniken hävdar att kvantiteter som laddning och massa är kvantiserade – uppbyggda av diskreta, räknebara enheter som inte kan delas upp – men att saker som rymd-, tid- och vågekvationer är i grunden kontinuerliga. Fredkin däremot trodde (och tror fortfarande) med närmast religiös övertygelse att rum och tid också måste kvantiseras, och att verklighetens grundläggande byggsten alltså är beräkning. Verkligheten måste vara en dator! 1978 undervisade Fredkin en forskarutbildning vid MIT kallad Digital Physics, som utforskade sätt att omarbeta modern fysik enligt sådana digitala principer.
Feynman förblev dock inte övertygad om att det fanns meningsfulla kopplingar mellan datoranvändning och fysik utöver att använda datorer för att beräkna algoritmer. Så när Fredkin bad sin vän att hålla huvudtalet vid konferensen 1981, vägrade han först. När han lovade att han kunde tala om vad han ville, ändrade sig dock Feynman - och lade fram sina idéer för hur man länkar de två fälten i ett detaljerat föredrag som föreslog ett sätt att utföra beräkningar med kvanteffekter själva.
Feynman var först inte övertygad om att det fanns meningsfulla kopplingar mellan datoranvändning och fysik.
Feynman förklarade att datorer är dåligt utrustade för att hjälpa till att simulera, och därmed förutsäga, resultatet av experiment i partikelfysik - något som fortfarande är sant idag. Moderna datorer är trots allt deterministiska: ge dem samma problem och de kommer på samma lösning. Fysik, å andra sidan, är sannolikhet. Så när antalet partiklar i en simulering ökar, tar det exponentiellt längre tid att utföra de nödvändiga beräkningarna på möjliga utdata. Sättet att gå vidare, hävdade Feynman, var att bygga en dator som utförde sina probabilistiska beräkningar med hjälp av kvantmekanik.
Feynman hade inte förberett något formellt papper för konferensen, men med hjälp av Norm Margolus, PhD '87, en doktorand i Fredkins grupp som spelade in och transkriberade vad han sa där, publicerades hans föredrag i International Journal of Theoretical Physics under titeln Simulering av fysik med datorer. Detta, tillsammans med Fredkins artikel Conservative Logic, skriven tillsammans med MIT-forskaren Tommaso Toffoli (och delvis baserat på en Digital Physics-terminsuppsats skriven av William Silver ’75, SM ’80), utgjorde grunden för det begynnande fältet.
1983 uppfann Bennett och Gilles Brassard, professor vid University of Montreal, det som nu kallas kvantkryptografi - ett sätt att använda kvantmekanik för att skicka information samtidigt som man förhindrar avlyssning. Feynman fortsatte under tiden att utveckla sin idé, vilket förklaras i ett föredrag med titeln Tiny Computers Obeying Quantum Mechanical Laws som han höll vid både Los Alamos National Laboratory och en konferens om optik 1984.
Ändå skulle kvantdatorer sannolikt ha förblivit en intellektuell leksak om det inte vore för Peter Williston Shor, PhD '85, som 1994 kom på ett tillvägagångssätt som kunde använda en av Feynmans ännu obyggda kvantdatorer och någon smart talteori för att snabbt faktor ett stort antal. Detta väckte intresse från regeringar och företag, eftersom säkerheten för nästan alla moderna kryptografiska system beror på det faktum att det är lätt att multiplicera två mycket stora primtal, men utomordentligt svårt att bryta tillbaka produkten i dess primtal. Med Shor's Algorithm (som den nu kallas) och en tillräckligt stor kvantdator att köra den på, skulle den uppgiften bli enkel, och de flesta av världens konfidentiella data som rör sig över etern och över Internet skulle lätt kunna dekrypteras när de väl avlyssnas.
Förutom att skapa de mest framträdande tidningarna på fältet, gav konferensen 1981 också ett foto av några av de största tänkarna inom databehandling och fysik som levde 1981. Fotot, taget på gräsmattan av Endicott House, inkluderar Feynman och Fredkin; Freeman Dyson, en av 1900-talets mest begåvade fysiker; Konrad Zuse, den tyske ingenjören som hade byggt världens första helt programmerbara automatiska digitala dator 1941; Hans Moravec, som precis hade byggt en robot som kunde navigera med sikte; Danny Hillis ’78, SM ’81, PhD ’88, som fortsatte med att grunda Thinking Machines och anställde Feynman som sin första anställd; och många andra som nu är kända namn (åtminstone i datavetares och fysikers hushåll). Det påminner om det berömda fotografiet från 1927 från den femte Solvay-konferensen om elektroner och fotoner som visar Albert Einstein, Niels Bohr, Pauli, Heisenberg och andra ledande personer inom kvantmekanikens begynnande fält.
Tyvärr, Charlie Bennett är inte med på bilden: han är personen som tog bilden.
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 med tillstånd av Charles Bennett)
Redaktörens anteckning: Simson Garfinkel avslöjade den här historien när han undersökte sin bok Lag och policy för kvantåldern , medförfattare med Chris Hoofnagle (kommande från Cambridge University Press).