Fiecare atom din univers, și nu doar obiecte macroscopice diferite, este capabil să stocheze informații. Interacțiunea acționează atomii pot fi descrise ca fiind operații logice elementare care schimba valorile lor cuantice biți - unitatea elementară a informației cuantice. In mod paradoxal, Seth Lloyd abordare promițătoare permite rezolvarea elegant problema complexității crescânde a universului: chiar programul casual si foarte scurt, în timpul execuției sale pe calculator poate da rezultate foarte interesante. Universul procesează în mod constant informația - fiind un calculator cuantic de dimensiuni enorme, întotdeauna își calculează propriul viitor. Și chiar astfel de evenimente fundamentale precum nașterea vieții, reproducerea sexuală, apariția rațiunii pot și ar trebui să fie considerate revoluții succesive în prelucrarea informațiilor.
Cartea: Programarea Universului. Calculatorul cuantic și viitorul științei
Puterea computerizată a universului
Puterea computerizată a universului
Acum, că știm cât de multe calcule se poate efectua o bucată de material situată în genunchi, să ne întoarcem la un computer mai puternic - cum ar fi cel descris de Isaac Asimov în „întrebarea finală“ la un computer de dimensiunea unui spațiu. Să presupunem că toate materia și toată energia din spațiu sunt puse în slujba calculului. Cât de puternic va fi acest computer? Putere calculator cosmologică, compus din tot ceea ce este în univers, ea poate fi determinată folosind aceeași formulă pe care ne-a ajutat să exploreze puterea absolută a notebook-ului.
În primul rând, energia limitează viteza de lucru. Cantitatea de energie din univers cunoscut la noi, cu un grad destul de ridicat de precizie. Cele mai multe dintre ele sunt "blocate" în masa atomilor. Dacă luăm în calcul toți atomii din toate stelele și galaxiile, adăugând substanță nori interstelari, constatăm că densitatea medie totală a universului este de aproximativ un atom de hidrogen pe metru cub.
În univers există alte forme de energie. De exemplu, lumina conține energie (deși mult mai mică decât cea conținută în atomi). Vitezele de rotație ale galaxiilor îndepărtate indică existența altor surse invizibile de energie. Formele pe care le acceptă nu ne sunt cunoscute; printre posibilii candidați pentru rolul de „masă ascunse“ - obiecte cu astfel de nume fanteziste ca „plictisitor“, „bețiv“ și „macho“ [34]. Mai mult, accelerare anormală extinderea univers sugerează prezența unei alte forme de energie, care este acum numit quintessence [35]. Se pare că cantitatea totală de energie aceste forme exotice nu mai mult de un ordin de mărime mai mare decât cantitatea de energie în materia obișnuită pe care o putem vedea, și nu contează pentru a calcula numărul total de calcule care pot fi efectuate universul.
Înainte de a continua să evaluăm puterea de calcul a universului, să determinăm ce măsuram. Datele observațiilor actuale indică faptul că universul este infinit din punct de vedere spațial, se extinde în toate direcțiile, fără limite. Într-un univers infinit spațial, cantitatea de energie este, de asemenea, infinită; prin urmare, numărul de operații și numărul de biți din univers sunt, de asemenea, infinit.
Dar observațiile arată de asemenea că vârsta universului este finită: este puțin mai mică de 14 miliarde de ani. Informațiile nu se pot răspândi mai repede decât viteza luminii. Vârsta universului este finită, viteza luminii este finită, deci parte a universului, despre care putem obține informații, este și ea finită. Se spune că acea parte a universului, despre care putem obține informații, este "în orizont". Despre ce se întâmplă dincolo de orizont, putem ghici numai. Numerele pe care le găsim acum sunt numărul de calcule care pot apărea în universul vizibil, până la orizont. Prelucrarea informațiilor care se petrec dincolo de orizont nu poate afecta rezultatul oricăror calcule efectuate în partea vizibilă a universului de la Big Bang. Deci, când măsuram "puterea computațională a universului", de fapt măsuram "puterea computațională a universului vizibil".
În timp, orizontul se extinde și de trei ori mai rapid decât viteza luminii. Când privim printr-un telescop, privim înapoi în timp, iar cele mai îndepărtate obiecte pe care le vedem ne apar ca în urmă cu 14 miliarde de ani. Cu toate acestea, până la observațiile noastre din cauza expansiunii universului, aceste obiecte s-au mutat mai departe, iar acum sunt la 42 de miliarde de ani-lumină distanță. Pe măsură ce orizontul se extinde, tot mai multe obiecte apar în fața ochilor noștri, iar cantitatea de energie disponibilă pentru calcule în orizontul extins crește. Numărul de calcule care pot fi efectuate în orizont de la începutul expansiunii universului, cu timpul crește.
Orizontul este la 42 de miliarde de ani lumină distanță de noi. Fiecare metru cub al universului vizibil conține în medie o medie de aproximativ un atom de hidrogen. Energia fiecărui atom de hidrogen este E = mc ?. Summarând toată energia din Univers, vedem că acesta conține aproximativ 100 miliarde miliarde miliarde miliarde miliarde miliarde miliarde miliarde (1071) jouli de energie. Aproape toată această energie este energie liberă, disponibilă pentru muncă sau calcule. Sunt multe calorii! Pentru a mânca atât de mult, trebuie să fie dimensiunea universului în sine.
Acum calculați viteza maximă cu care universul poate procesa informații. Aplicăm teorema lui Margolus-Levitin pentru aceasta: luați cantitatea de energie în orizont, înmulțiți-o cu 4 și împărțiți-o cu constanta Planck. Se pare că în fiecare secundă un calculator constând din toată energia universului poate efectua aproximativ 100.000 de operații (10105) [36]. Ei bine, timp de 14 miliarde de ani de existență a universului, acest calculator cosmologic ar putea efectua aproximativ 10 miliarde de miliarde de operațiuni googol (10122).
Pentru comparație, luați în considerare numărul de operațiuni efectuate de toate computerele de pe Terra de la inventarea lor. În conformitate cu legea lui Moore, jumătate din aceste calcule au fost făcute în ultimul an și jumătate. (Ori de câte ori aveți un proces a cărui putere se dublează în fiecare an și jumătate, jumătate din această capacitate a apărut în ultimul an și jumătate.) Există aproape un miliard de computere pe Pământ. Frecvența ceasului acestor computere este de aproximativ GHz. În timpul fiecărui ciclu de ceas, un computer obișnuit efectuează puțin mai puțin de 1000 de operații elementare. Anul constă în aproximativ 32 de milioane de secunde. Astfel, în ultimul an și jumătate, toate calculatoarele de pe Pământ au efectuat aproximativ 10 miliarde de miliarde de miliarde (1.028) operațiuni. Ei bine și pentru toată istoria calculelor de pe calculatoarele Earth au executat doar două ori mai multe operațiuni.
Câți biți de memorie sunt disponibili pentru computerul cosmologic? Din nou, pentru a determina memoria disponibilă, este necesar să numărăm numărul de biți stocați de fiecare atom și de fiecare foton. Precum și calcularea valorii absolute a memoriei laptop, numărul de biți pot fi numărate folosind metodele propuse de Max Planck un secol în urmă. Ca rezultat, vom vedea că computerul cosmologic poate stoca 100 de miliarde de miliarde de miliarde de miliarde de miliarde de miliarde de miliarde de miliarde de miliarde de miliarde (1092) biti de informatie - mult mai mult decât toate informațiile imprimate pe toate computerele din lume. Pe Pamant, aproape un miliard de computere, si fiecare in medie de aproape 1000 miliarde (1012) de biți de memorie. Toate împreună, conțin mai puțin de 1.000 miliarde de miliarde (1.021) de biți.
Calculatorul spațial poate efectua 10122 de operații cu 1.092 de biți. Acestea sunt numere mari, dar nu există nimic dincolo de ele. Când am calculat pentru prima dată numărul de operațiuni pe un calculator, mărimea universului, prima mea reacție a fost dezamăgirea: "Și asta?
Da, asta e tot. Nici un calculator nu poate calcula mai mult în istoria universului. Dar acest lucru este destul. Computerele cuantice pot modela sistemele fizice. Prin urmare, un calculator cuantic capabil să efectueze 10122 operații cu 1092 biți are suficientă putere pentru a calcula tot ce putem observa în univers în orizont. (Dacă luăm în considerare nu numai biții care pot fi stocate în particule elementare, dar biții care pot fi stocate din cauza gravitației cuantice, despre care vom vorbi în curând, bitul poate fi mai - aproximativ 10122.) Acesta este numărul de operații și biți pot fi interpretate în trei moduri:
1. Ele oferă o limită superioară sumelor calculelor care pot fi efectuate de întreaga materie a universului în timpul vieții sale. Așa cum am spus deja, legile fizicii impun limitări fundamentale asupra vitezei computaționale și a numărului de biți disponibili. Viteza de calcul este limitată de cantitatea de energie disponibilă, iar numărul de biți este limitat de această energie și de dimensiunea sistemului care efectuează calculele. Dimensiunile universului și cantitatea de energie din el sunt cunoscute cu un grad destul de înalt de precizie. Niciun computer care respectă legile fizicii nu va putea efectua mai multe calcule.
2. Ele oferă o limită inferioară pentru numărul de operații și biți necesari pentru modelarea universului folosind un calculator cuantic. Am văzut deja că computerele cuantice sunt deosebit de eficiente pentru modelarea altor sisteme cuantice. Pentru a face acest lucru, un calculator cuantic are nevoie de cel puțin cât de mulți biți există în sistemul pe care îl va modela. În plus, pentru a simula orice eveniment elementar care apare într-un sistem simulat, de exemplu, fiecare mișcare a unui electron de aici până acolo, un calculator cuantic are nevoie de cel puțin o operație. Într-un calculator cuantic care simulează universul ca întreg, trebuie să existe cel puțin cât de mulți biți ca în univers și trebuie să efectueze cel puțin același număr de operații ca și evenimentele elementare (sau operațiunile) de la nașterea Universului.
3. A treia interpretare este mai controversată. Dacă noi credem că universul efectuează calculele, de la începutul existenței sale poate avea operațiuni efectuate 10122 1092 biți. Întrebarea dacă să luăm un astfel de punct de vedere este, într-o oarecare măsură, o chestiune de gust. Pentru a spune că universul a efectuat 10122 operații, este necesar să se definească o operație din punct de vedere al proceselor fizice fundamentale. În computer, operația are loc atunci când se modifică valoarea bitului. (În unele operații logice, cum ar fi „și“ de funcționare, modificările de calculator sau salvați-l, în funcție de starea de alte câteva biți.) Spunem că un sistem fizic efectuează ori de câte ori ea pune suficienta energie pentru un timp suficient pentru a bit invers. Cu o astfel de simplu operații fizice Pentru determinarea numărului de operații efectuate de orice sistem fizic, inclusiv universul, poate fi calculată folosind teorema Margolyusa - Levitin.
În timp, orizontul se extinde și cantitatea de energie disponibilă pentru înregistrarea biților de informații și efectuarea calculelor crește. Numărul total de operații efectuate și numărul de biți cresc în funcție de vârsta universului. În modelul cosmologic standard, cantitatea totală de energie din orizont crește proporțional cu vârsta universului. Deoarece viteza de procesare a informațiilor este proporțională cu energia disponibilă, numărul de operații pe secundă pe care Universul poate să le efectueze în orizont crește și proporțional cu vârsta. Numărul total de operații pe care universul le-a efectuat de la început este proporțional cu numărul de operațiuni pe secundă, în funcție de vârsta universului; prin urmare, numărul total de operații pe care universul le-a efectuat de la Big Bang este proporțional cu pătratul din acest moment.
În mod similar, cosmologia tradițională sugerează că numărul de biți din orizont crește cu vârsta Universului ridicată la o putere de 3/4. Puterea de procesare a informațiilor universului crește constant cu timpul. Viitorul arata grozav.