Stanisław Lem
"Kwantowy komputer"

 

1          Jak powiada fachowiec, w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat co dwa lata komputery stawały się coraz szybsze, zaś ich elementy coraz mniejsze. Jednakowoż nie ulega wątpliwości, że trend ów musi mieć swój kres: kresem tym wydawała się zrazu struktura materii w skali najmniejszej, czyli tam, gdzie cząstka JEST falą, zaś fala JEST cząstką i gdzie rządzi heisenbergowska relacja nieoznaczoności. Jak mówił Niels Bohr, człowiek, który dogłębnie studiuje mechanikę kwantową, a nie doznaje zawrotu głowy, nie ogarnia jej prawidłowości w sposób rzeczywiście właściwy, ponieważ te kwantowe prawidłowości przeczą "zdrowemu rozsądkowi" naszemu, są kontrintuicyjne i najwyraźniej gwałcą podstawowy kanon przyczynowości (kauzalizmu). Aby od razu wejść w to piekło paradoksu należy zważyć, że nie tylko na papierze i teoretycznie, ale w eksperymentach, od których jako wykrywalnych faktów po prostu nie mamy już donikąd żadnego odwołania, nie jest tak, jak utrzymywali niektórzy fizycy-optymiści (Bohm na przykład), że pęd i położenie swoje ma elektron TAKŻE przed jakimkolwiek pomiarem, a tylko my obojga aż do dokonania nie znamy (niby: nie wiadomo, czy i gdzie czarny kot znajduje się w ciemnym pokoju, lecz on tam albo gdzieś jest, albo go nie ma). Tymczasem okazało się, że tak nie jest. Jakkolwiek obraża to nasze intuicje, elektron może być zarazem "i tu i tam", dopóki go nie poddamy doświadczalnie pomiarowi. To też nie jest jeszcze najgorsze, albowiem jest też tak, że jako cząstka, która JEST falą, elektron może interferować z innym elektronem, a co fatalniejsze, może też oddziaływać sam na siebie i powstaje wtedy to, co fizyka kwantowa zwie "superpozycją". Ja tu nie zamierzam iść dalej w głąb niesamowitego świata kwantów, lecz powiedziałem to tylko, co w skromnej mierze pozwoli na prezentację powstającej już perspektywy zbudowania komputera kwantowego. Wydaje się (z rozsądnej ostrożności powiadam "wydaje się", a nie "wiem na pewno"), iż to już byłby kres zarówno mikrominiaturyzacji, jak przyspieszania czynności logicznych komputerów, ponieważ docieramy tą drogą do ostatecznych granic materii. Myślałem ongiś, że granica zostanie osiągnięta, kiedy atomy, tworzące określone związki chemiczne, będą funkcjonowały jako "ostateczne", tj. najbardziej elementarne "bramki logiczne", ale się pomyliłem, skoro już można obecnie poszczególne jednostki (bity) informacji umieszczać w elektronach okrążających jądro (np. wodoru) : tym samym "schodzi się" jeszcze dalej czy niżej. Reguta postępowania w przypadku jednego atomu, jednego elektronu jest względnie prosta. Podobnie jak bity są nierozdzielnymi, nieczłonkowalnymi cegiełkami informacji (jeden bit to akurat tyle co 0 lub 1, czyli TAK albo NIE), podobnie też elektron okrążający jądro atomu może albo znajdować się na orbicie o najmniejszej energii, którą nazwiemy umownie zerową, albo może pozyskawszy właściwą porcję energii (jaką mu przyniesie foton) przeskoczyć na orbitę wyższą. Będzie nam ona jedynką. Foton pochodzi z urządzenia, które wytwarza promieniowanie laserowe i dzięki niemu potrafimy już dokonać nader prostej operacji: jeżeli elektronu na orbicie "spoczynkowej" nie wzmocnimy energetycznie; to jest tak, jakby miał zapisane ZERO. Jeżeli trafimy go fotonem (nie byle jakim), pozyska energię taką, by wskoczyć na wyższą orbitę (i) w atomie "jest zapisane" TAK, czyli jedynka. Ponadto idąc dalej, należy jeszcze uwzględnić inne, zresztą nieliczne, ale do rachowania logicznego niezbędne warianty ("i": czyli koniunkcję, "kopiuj", czyli przekaż) itp. Dopóki mamy jeden atom, widać, że jego "moc obliczeniowa" jest skrajnie mata, jest nędzna, ale można działać na zespoły atomów i sytuacja staje się wtedy zarówno znacznie zawilsza, jak daleko mniej trywialna: powstaje komputer kwantowy, w którym stany energetyczne elektronów tworzą zapisy, zaś fotony (laserowe) mogą owe zapisy przekształcać wedle odpowiedniego programu. Sprawa jest też bardziej skomplikowana z kilku powodów, z których wymienię choćby dwa najistotniejsze: ze względu na możliwość powstania superpozycji - czyli "wsiadania" elektronowej fali na siebie samą, oraz, co gorsze, ze względu na to, że trwałość powstających zapisów, czyli trwałość ulokowanej na kwantowym poziomie pamięci (bez której wszak w ogóle nic komputer począć nie może) jest bardzo labilna. Obecnie rekordem są takie okresy tej trwałości, które ogarniają kilka godzin. Zresztą ekranowanie takich kwantowych komputerów od zakłóceń, wywołujących błędy, to osobny, bardzo mocno kwestionowany przez wielu problem. Niby świta tam komputer najmniejszych rozmiarów i najwyższej szybkości, ale rychło spodziewać się go nie należy nawet, gdyby byt konstruowalny, co zresztą jest zaprzeczane przez fizyków-sceptyków. W październikowym numerze Scientific American widnieje rycina pokazująca, JAK kryształ zwykłej soli mógł by dokonywać operacji logicznych za pośrednictwem "łączy kwantowych" tak, że ów komputer byłby w stanie symulować dowolny inny system kwantowy i to z nieprześcignioną szybkością... . To na papierze, ale w rzeczywistości wciąż mamy do czynienia z bardzo skromnymi zespołami atomów, elektronów i tym samym kwantów.

         W tym kontekście pojawia się pytanie, czy jest możliwe, jak utrzymywał w swej ostatniej książce znany fizyk R. Penrose, iż świadomość DE FACTO jest ulokowana w mózgu właśnie na kwantowym poziomie. Już nie wchodząc w krytykę tej koncepcji "od strony" fizyki, bo wszak żadnych laserowo kreowanych fotonów w mózgu nie ma, wyrażę moją subiektywną, aczkolwiek silną intuicję, tj. moje przeświadczenie, że nic nam dla wyjaśnienia fenomenu świadomości kwantowy poziom nie przyniesie.

         Zważyć należy, iż znękani poszukiwaniem lokalizacji świadomości myśliciele przeprowadzali ją jak mogli - od szyszynki do kory mózgowej, od kory mózgowej do podkorowych układów (np. śródmózgowia i systemu limbicznego itd) . I nic jako prawdopodobne z tych "przeprowadzek" nie wynikło. Jak niejednokrotnie pisywałem, nawet maszyna (komputer), zdolna zdać "egzamin", to jest test Turinga, pewności, iż ma ona świadomość, dostarczyć nam nie może, albowiem ekwifinalne stany "wyjść" i "wejść" (input and output) nie pozwalają na ustalanie, że wewnątrz maszyny panują procesy tożsame z procesami, powodującymi powstawanie świadomości w mózgu ludzkim. Jednym słowem, przeprowadzki z poziomu (neuronowego dajmy na to) na poziom atomowy czy choćby i kwantowy, żadnej dodatkowej wiedzy o powstawaniu i lokalizacji świadomości nam nie dostarczają, a jedynie takie przemieszczanie świadomości wyjaśnia, że uczeni starają się ją "gdzieś upchnąć".

 

2          Produkowane obecnie - wracam do komputerów - procesory jeszcze nie są kresem drogi, ponieważ doskonałość litograficznego utrwalania "bramek logicznych" na "chipach" może się jeszcze powieść. Tu właśnie natrafiamy na taki oto paradoks: kiedy miniaturyzacja dosięga już atomowych rozmiarów, razem z nią pojawia się jako bardzo poważny czynnik, hamujący dalszy pochód, indeterminizm: relacja Heisenberga itp. Otóż cała "chytrość" generalnej koncepcji komputera kwantowego tkwi w tym, co Niemcy zwą "aus einer Not eine Tugend machen", czyli jak przekształcić kłopot w zysk (cnotę). I rzeczywiście, właśnie elektronowe superpozycje i ich falowe własności okazałyby się zbawienne, GDYBY udało się kwantowe, na (ogólnikowo tu jedynie opisanej) zasadzie komputery budować, uczyniwszy je

A/ trwałymi spichlerzami p a m i ę c i oraz

B/ niewrażliwymi na idące z otoczenia wpływy zakłócające.

Dozy fotonowe, czyli regulowanie strumieni fotonów, musiałoby bowiem być niesamowicie dla nas dzisiejszych precyzyjnie utrzymywane w spektrum energetycznym, gdyż zarówno foton "za słaby", jak "zbyt silny" wprowadza nam od razu w operacje logiczne błąd, a usuwanie błędów z komputera kwantowego to na razie "pieśń przyszłości".

 

3          Jest jeszcze jeden, osobny szkopuł wiszący nad tym całym dziewiczym dotąd obszarem "Kwantowych operacji komputerowych", a mianowicie niechybny fakt, że jeżeli się pojawią kwantowe komputery, to zaraz się też narodzą i rozmnożą "kwantowi hackerzy". Jak by można było sobie z nimi poradzić, nikt nie ma na razie bladego pojęcia. Czynnikiem sprawczym nie jest osobliwa zła wola czy spaczona intencja, ale po prostu natura ludzka. Już tacy nieprzyjemni dla bliźnich jesteśmy, że jeżeli można włamywać się, to się włamujemy, skoro można fałszować, to fałszujemy, to kradniemy, niszczymy nawet, jeżeli niszczącemu żadnego zysku to nie przynosi.

 

4          Tak zatem nieobecność, czy też nierychliwe pojawienie się na rynku informatycznym kwantowych komputerów może nas wprawdzie zainteresować, jako najdalsza perspektywa postępu technologicznego w tej dziedzinie, postępu opartego wprost na mechanice kwantowej, ale, jak dotąd, z owej perspektywy wynika dla nas może więcej nawet "LEPIEJ NIE", aniżeli "TO WYBORNIE", ponieważ dostateczną ilość różnorodnych kłopotów mamy JUŻ z konwencjonalnymi komputerami i z ich sieciowymi łączami. Inna rzecz, że kwantowa rewolucja bez wątpienia pociągnęłaby za sobą akty doskonalące tak trwałość pamięci na tym poziomie, jak zarazem zmniejszenie wrażliwości na perturbacje osobiście jestem dość umiarkowanym optymistą, co by w praktyce oznaczało, że kwantowe komputery mogą się okazać osobliwie przydatne w naukach ścisłych (analizy czynnikowe w matematyce czy też symulowanie nieznanych nam całkowicie stanów, jakie może przybierać materia), natomiast globalne sieci razem z giełdami, bankami itp, będą nadal obsługiwane przez takie komputery, które wprawdzie mikrominiaturyzujemy i wprawiamy do akceleracji działań, ALE wszystkim wspólna zasada się nie zmienia. Jest to wciąż różnica elektrycznego ładunku w bramkach logicznych i tak było w kolosalnie nadmiarowym ENIACU jak w CRAYU (który również już do rekordzistów nie należy). Ale naturalnie mogę się tu mylić, ponieważ nie jest tak, żeśmy z fizykami na czele zjedli wszystkie mądrości w zakresie mechaniki kwantowej. Kosmos jest tak osobliwie utworzony, że tai w sobie zbiory tajemnic bez dna, my zaś dokopujemy się zwolna do coraz to głębszych ich pokładów. Już wiadomo, że jeżeli dwie kwantowe fale w superpozycji zachowują się jak jedna fala (a nazywamy to sprzężenie koherencją), to, jeżeli nastąpi dekoherencja, znów mamy do czynienia z dwiema falami. Albert Einstein nie chciał się pogodzić z całą domeną kwantowej nieokreśloności. Typowe dla niej stany gwałcą wszelką klasyczną intuicję o przyczynowym oddziaływaniu. Jeżeli zmierzy się jeden BIT (reprezentowany przez elektron w superpozycji), to drugi "sam jakoś" ustala TEŻ swoją wartość (fizyczną i logiczną) . Nie zachodzi przy tym oddziaływanie pomiaru pierwszego na drugi PRZYCZYNOWE. Już wiemy, że elektrony mogą być jeden tu, drugi zaś na Jowiszu. Jak długo nie mierzymy, to panuje "niejasność" czyli nieokreśloność, a jeżeli zmierzymy jeden, to drugi "musi" się tak zachować, żeby jego nieokreśloność TEZ znikła (zazwyczaj robi się wspierające to zjawisko eksperymenty na spolaryzowanych fotonach, albowiem one jak elektrony też są i nie są FALAMI). Jednym słowem, kroczymy tutaj w krainę, aby tak rzec, sprzeczną z regułami kauzalizmu, a zatem naszego myślenia, ukształtowanego przez prosty fakt, iż żyjemy w makroświecie, w którym efekty falowe większych "kawałków" materii są niepostrzegalne. Jeżeli elektronowo umiejscowionych bitów kwantowych mamy więcej, to pojawiają się tak okropnie i tak przeciwintuicyjnie powstałe stany, że nie wiem, jakby można o nich bez matematyki w ogóle coś sensownego powiedzieć. Jednak widać spoza owych niejasności przynajmniej to, że w obszarach kwantowych jest jeszcze bardzo dużo do zrobienia i do wykrycia. Nikt się nie myli obecnie tak jak ci, którzy sądzą, iż nauki ścisłe zbliżają się do swego "finiszu", do kresu i następne pokolenia uczonych nie będą już miały nic do roboty. Może warto zauważyć, że o uczonych, a już szczególnie o fizyków dwudziestowiecznych martwili się pod koniec dziewiętnastego wieku ówcześni uczeni dokładnie tak samo, byli bowiem przekonani, że "już prawie wszystko, co można poznać, zostało poznane". Było, rzecz jasna, całkiem inaczej i nie należy także idei kwantowych operacji logicznych umieszczać po stronie nigdy nie urzeczywistnialnych bajek, nie wiadomo, jak z tymi komputerami ostatecznymi będzie, a nawet nie wiadomo, czy poziom kwantowych operacji to już jest "ostateczna ostateczność"...

 

5          Na zakończenie pragnę zwrócić uwagę na to, że te postępy w szybkości i uniwersalności także symulacyjnej, jakich się po kwantowych rachmistrzach możnaby spodziewać, mają się nijak do zagadnienia świadomości i idąc w tamtym kierunku niczego się (moim zdaniem naturalnie) o świadomości nie dowiemy. Ta kwestia w kwantową budowę materii, jak myślę, uwikłana nie jest. Tu więcej można się będzie spodziewać od AL (Artificial Life), od "sztucznego życia" oraz od biochemii. Powiedziane zresztą w niczym nie narusza mojej omylności.

Pisałem w listopadzie 95

sssdasdBackUp