ماشین رویا: جهان ذهنگشای محاسبات کوانتومی
فیزیک کوانتومی برای همه حتا فیزیکدانها سردرگمکننده است. حتا دیوید دویچ که میخواهد ماشین رویا را بسازد هم این مسئله را پیچیده میبیند. این داستان پویشیست برای ساختن کامپیوتر کوآنتومی!
در حومهی شهر آکسفورد فیزیکدانی باهوش و بسیار نحیف به نام دیوید دویچ[1] زندگی میکند که به فرضیهی چندجهانی باور دارد و برای آزمودنِ وجودِ جهانهای کثیر، در اندیشهی ساخت کامپیوتری است که تا امروز نساختنی به نظر میرسید. عنوان کتابهای او -مثلاً «بافت واقعیت: دانش جهانهای موازی و دلالتهای آن، سرآغاز بینهایت»- از اعتمادبهنفس قابل توجهش خبر میدهند. دیوید دویچ به ندرت خانهاش را ترک میکند. بسیاری از همکاران نزدیک او سالهاست که او را ندیدهاند، البته به جز در برخی کنفرانسها و البته از طریق اسکایپ.
دویچ که هیچگاه در هیچجا مشغول به کار نشده، در اصل پدر یا بنیانگذار محاسبات کوانتومی است. رشتهای که بر اساس شاخهای از فیزیک، که به مکانیک کوانتومی مشهور است، کامپیوترهای قدرتمندی ابداع کرده است. اما یک کامپیوتر کوانتومی با یک میلیونیمِ سختافزارِ یک لپتاپ معمولی میتواند به اندازهی ذرات عالم بیتهای[2] اطلاعاتی ذخیره کند. کامپیوتر کوانتومی میتواند کدهایی را که سابقاً غیرقابل رمزگشایی بودند رمزگشایی کند. کامپیوتر کوانتومی میتواند به پرسشهایی دربارهی مکانیک کوانتوم پاسخ دهد که امروزه پاسخ دادن به آنها برای یک کامپیوتر معمولی بسیار مشکل است. هنوز هیچکس نمیداند که یک کامپیوتر کوانتومی در منتهاعلیه ظرفیتش به چه دردهایی میخورد. از یک فیزیکدان بپرسید که یک کامپیوتر کوانتومی چکار میتواند در عمل انجام دهد، و او احتمالاً داستان دانشمند انگلیسی قرن نوزدهمی به نام مایکل فارادی[3] را برای شما خواهد گفت، چهرهای پیشرو در زمینهی الکترومغناطیس، که وقتی از او پرسیدند که پدیدهی الکترومغناطیس چه فایده دارد اصلاً، پاسخ داد که نمیداند، ولی مطمئن است یک روز اینقدر بهدردبخور میشود که ملکه به خاطرش از مردم مالیات بستاند.
در پلکان آزمایشگاه فیزیک کلارندون در آکسفورد پوستری از جشن یادبود مرکز محاسبات کوانتومی در مرکز همایشهای آکسفورد به چشم میخورد. این عکس جمعیت شیک و پیکی از فیزیکدانان را نشان میدهد که در محوطه دور هم جمع شدهاند. در گوشهای از این عکس، تصویر فوتوشاپشدهای از کلهی دیوید دویچ را میتوان دید که سایههایش تماماً ناجورند و او همچون یک مسافر زمان به نظر میرسد که به وسیلهی تلهپورت برای آن روز خاص به آنجا رفته. با خودم فکر میکنم که تصویر دویچ در این عکس حتماً یک جور شوخی دانشگاهی است، آن هم به خاطر این عقیدهی دویچ که اگر کامپیوتری کوانتومی ساخته شده بود گواهی انکارناپذیر از آن چیزی به دست میداد که بهعنوان تفسیر جهانهای بیشمار در علم مکانیک کوانتوم میشناسیم. نظریهای که تقریباً با مرزهای قدرت تصور بشر همآوردی میکند. علاوه بر دویچ چند تن از متفکران خوشنام در حوزهی فیزیک، تفسیر جهانهای بیشمار را تائید کردهاند، هرچند تعداد آنها کم بوده، و عمدتاً در لندن درس خواندهاند، جایی که هرازچندگاهی علاقهی شدید به محاسبات کوانتومی ناگهان و به خصوص در آکسفورد شیوع پیدا میکند.
اما اندیشهی دویچ جهش یافت و به همهجا سرایت کرد. باقی دانشمندان، هرچند عموماً نسبت به کذب یا صدقِ جهانهای بیشمار بهعنوان توصیفی از این عالم بیتفاوت هستند، با اینحال اکنون رویای ساخت ماشینهای محاسبات کوانتومی را در سر میپرورانند. محققان در مراکز تحقیقاتی سنگاپور، کانادا و نیوهیون، با همکاری گروههای دیگری همچون گوگل و ناسا احتمالاً به زودی ماشینهایی میسازند که کامپیوترهای امروزی در برابرشان مانند ماشینحساب جیبی خواهند بود. اما دویچ بیتفاوتی همکاراناش را نسبت به نظریهی جهانهای بیشمار با بیتفاوتی خودش تکمیل کرد. این فیزیکدان حرفهای نسبت به ساخت واقعی کامپیوتر کوانتومی از خود بیتفاوتی نشان داد.
فیزیک با پذیرش پوچیها جلو رفت. تاریخ فیزیک ایدههایی باورنکردنی را در خود دارد که تدریجاً درستیشان ثابت شد. ارسطو به نحوی کاملاً مستدل فکر میکرد که اگر شییای به حرکت واداشته و در خلاء رها شود سرانجام خواهد ایستاد؛ نیوتن کشف کرد که این فرضیه درست نیست، از تلاشهای سرسختانهی نیوتن شالودهای شکل گرفت که امروزه آن را مکانیک کلاسیک مینامیم. همچنین، علم فیزیک ما را با این واقعیات شگفتزده کرد که زمین به دور خورشید میچرخد، زمان منحنی است و اگر عالم را از خارج ببینم جور دیگری به نظر میرسد و مثلاً رنگ و حالت بژ دارد. ریچارد فاینمن[4] برندهی جایزهی نوبل میگوید: «تخیل ما تا بینهایت گسترده میشود، نه فقط در باب جهان داستان و تخیل دربارهی چیزهایی که در واقع وجود ندارند، بلکه در درک چیزهایی که وجود دارند.» علم فیزیک حقیقتاً عجیبوغریب است، کسانی که زندگی خودشان را وقف مطالعهی فیزیک میکنند بیشتر از دیگران به این غرابت خو گرفتهاند. اما، حتی برای فیزیکدانها، ماشینهای کوانتومی -مبنای یک کامپیوتر کوانتومی- شدیداً عجیب و نامتعارفند.
مکانیک کوانتوم تاریخ طبیعی ماده و انرژی را توصیف میکند که فضا و زمان را درمینوردند. مکانیک کلاسیک بسیار شبیه به مکانیک کوانتوم است، اما، درحالیکه مکانیک کلاسیک در توصیف اغلب چیزهایی که میبینیم(شن، توپ بیسبال، سیارهها) بسیار دقیق عمل میکند، در توصیف ماده در مقیاس کوچک بلااستفاده است. از یک حدی به بعد که ابعاد را کوچک کنیم، همهی آن قوانینی که توی دبیرستان در مورد توپها و مسیرهای صاف خواندهایم، از اعتبار ساقط میشوند.
مکانیک کوانتوم اینطور بیان میکند که ذرهها میتوانند در آن واحد در دو مکان باشند، کیفیتی که انطباق [همنهادگی، برهمنمایی][5] نامیده میشود؛ این دو ذره میتوانند با هم مرتبط یا «درهمتنیده[6]» باشند، همچون دو ذرهای که میتوانند در آن واحد ویژگیهایشان را صرفنظر از فاصلهشان در فضا و زمان با هم هماهنگ کنند؛ و هنگامی که به ذرهها نگاه میکنیم بهصورت اجتنابناپذیری آنها را دگرگون میکنیم. همچنین، در مکانیک کوانتوم، عالم، در بنیادیترین سطحش، تصادفی است، اما ایدهی تصادفی بودن جهان مردم را آشفته میکند. سردرگمیتان دربارهی مکانیک کوانتوم را به یک فیزیکدان اعتراف کنید و او به شما خواهد گفت که حس بدی نداشته باشید، چون مکانیک کوانتوم برای فیزیکدانها نیز سردرگمکننده است. اگر مکانیک کلاسیک را با جرج الیوت معادل فرض بگیریم، آنوقت مکانیک کوانتوم معادل با کافکا است.
اگر مکانیک کوانتوم صرفاً خواص جانبی ماده و انرژی را توضیح میداد همهی این عدم اطمینان و سردرگمی قابل تحمل میشد. ولی واقعیت این است که مکانیک کوانتوم اساس فیزیک همه چیز است. حتی اینشتین، که با ایدهی کرمچالههای زمانی مشکلی نداشت، با موضوع مکانیک کوانتوم به مشکل برخورد، طوری که در سال ۱۹۳۵ مقالهای تحت عنوان «آیا توصیف مکانیک کوانتوم از واقعیت فیزیکی میتواند جامع در نظر گرفته شود؟» نوشت. او در این مقاله به برخی از دلالتهای عجیب مکانیک کوانتوم اشاره کرد، و سپس پرسش مطرح شده را پاسخ داد، پاسخ او منفی بود. اینشتین بهویژه درهمتنیدگی کوانتومی را مایهی دردسر یافته بود، و از آن تحت عنوان «جادوجمبل نامحتمل» یاد کرده بود. عبارتی که آگاهانه پژواک عبارتی بود که در قرن هفدهم مخالفان نظریهی نیروی جاذبه به کار برده بودند.
فیزیکدان دانمارکی به نام نیلز بور[7] تفکر اینشتین را به چالش کشید. استدلالش هم این بود که در مسئلهی کوانتوم، فیزیک با محدودیتی مواجه میشود. این محدودیت در واقع محدودیت علم برای فهمیدن جهان است. آنچه بیمعنا بهنظرمیرسید، واقعاً بیمعنا بود، و ما نیاز داشتیم درک کنیم که هرچند علم بهطور شگفتانگیز و دقیقی میتواند عواقب آزمایشهای مجزا را حساب کند، ولی نمیتواند دربارهی خود واقعیتی که برای همیشه پنهان باقی میماند چیزی به ما بگوید. علم صرفاً آشکار میکند که واقعیت از نظر ما چیست.
نظرگاه بور بر نظرگاه اینشتین چیره شد. برطبق اظهارات دویچ، «طبیعتاً، دو طرف آن مناقشه در اشتباه بودند، اما بور تلاش میکرد تا مسأله را بپیچاند، درحالیکه، اینشتین در واقع تلاش میکرد تا مسئله را حل کند.» همانطور که دویچ در بافت واقعیت میگوید، «گفتن اینکه که پیشبینی، هدفِ یک نظریهی علمی است، اشتباه گرفتن وسیله با هدف است. مثل این است که بگوییم هدف یک فضاپیما سوزاندن سوخت است». بعد از بور فلسفهی «خفهشو و محاسبهکن» برای دههها بر علم فیزیک استیلا یافت. ماجرای مکانیک کوانتوم نیز درست مثل آن مشتاقانهترین عریضههایی بود که به آدرس شرلوک هلمز روانه میشدند و همگی حاکی از بدفهمی عمیق واقعیت بودند.
دیووید دویچ را ساعت ۴ بعدازظهرِ یک سهشنبهی زمستانی در خانهاش ملاقات کردم. دویچ در لندن بزرگ شد و مدرک لیسانسش را از دانشگاه کمریج گرفت و برای گرفتن فوق لیسانس در رشتهی ریاضی در همان دانشگاه ماند -خودش ادعا میکند که ریاضیاش خوب نیست- و بعد از آن برای اخذ درجهی دکتری در رشتهی فیزیک به آکسفورد رفت. هرچند بسیار به دانشگاه وابسته شده بود، اما هیچگاه از کارمندان دانشگاه نشد و هیچوقت هم در آکسفورد تدریس نکرد. خودش میگوید «دوست دارم که صحبت کنم، اما نه برای آدمهایی که علاقهای به شنیدن صحبتهایم ندارند. اشتباه است که سیستم آموزشی را به چنین شیوهای بنا کنیم. البته این دلیل درس ندادنم نیست. بهخاطر یک سری دلایل شخصی، علاقهای به درس دادن ندارم؛ از درس دادن بدم میآید. اگر زیستشناس بودم، حتماً زیستشناس نظری میشدم، چون هیچ علاقهای به تکهتکه کردن قورباغه ندارم. نه به خاطر دلایل اخلاقی، صرفاً چون این کار برایم بسیار چندشآور است. برهمینمنوال، صحبت کردن با مردمی که علاقهای به گوش کردن ندارند هم منزجرکننده است.» در عوض دویچ بهواسطهی سخنرانیها، جایزهها، کمکهزینههای تحصیلی و کتابهایش گذران زندگی میکند.
زیر آفتاب نیمهجان زمستانی، خانهی دویچ قدری گردوخاک گرفته بهنظر میرسید. حیاط خانه پوشیده از پیچکهای انگلیسی بود و در نزدیکی در ورودیاش چیزی نحیف و بوتهمانند قرار داشت که یا در خواب زمستانی بهسر میبرد و یا مرده بود. عبارتی با دستخط دویچ -«محکم در بزنید»- بر روی در نوشته شده بود. دویچ در را باز کرد. پیش از اینکه به داخل خانه قدم بگذارم گفت: «خیلی سرم شلوغه، مشغلهی زیادی دارم.» لاغری او باعث میشود که نتوان سنش را حدس زد و با توجه به ظاهر لاغرش، سن او بین ۱۹ تا ۱۱۹ میخورد (۵۷ ساله است.) چشمانش از پشت آن عینک تهاستکانی، بسیار بزرگتر هم بهنظر میرسید، مثل شخصیتهای جذاب انیمه. راهروی خانهاش پر بود از کتابهای راهنمای تلفن، جعبههای مقوایی و مقدار زیادی کاغذ. او ادامه داد «البته این به این معنا نیست که برای حرف زدن با تو وقت ندارم. میخواهم بگویم که به همین خاطر است که خانهی من اینقدر درهموبرهم است، چون سرم خیلی شلوغ است.»
چند نفر از همکاران دویچ، ماجرای گروه مستندساز ژاپنی را برای من تعریف کردند که برای گرفتن مصاحبه به خانهی دویچ رفته بودند. گروه از دویچ خواست که به آنها اجازه دهد تا خانه را مقداری تمیز کنند. دویچ از این ایده خوشش نیامد، اما به او قول داد که بعد از اتمام فیلمبرداری خانه را به حالت اولش بازمیگرداند. آنها از حالت درهموبرهم خانه عکسهای بسیاری گرفتند، مانند کارآگاهها در صحنهی قتل، و بعد خانه را مرتب کردند. بعد از اینکه مصاحبه به پایان رسید، گروه فیلمبرداری با دقت خانه را به حالت بینظمی اولش بازگرداند. دویچ میگوید بعد از آن ماجرا هنوز نمیتواند یک چیزهایی را پیدا کند، و از اولش هم نگران همین بود و برای همین نمیخواست مستندسازها به خانهاش دست بزنند.
بر روی دیوارهای خانهی دویچ یک نقشهی جهان، یک جدول تناوبی، کاریکاتور دستی از کارل پوپر، پوستری از مراسم امضای بیانیهی استقلال آمریکا، یک نمودار تاکسونومی حیوانات، نمودار تاکسونومی کاراکترهای کارتون سیمسونها، چند پرینت رنگی از تصویر مککین و اوباما، و دو تصویر رنگی از بازیگری که به چشم من شبیه به هیو گرانت بود، نصب شده بودند. تعدادی نوار قدیمی VHS، و یک شومینهی بلااستفاده، یک دوچرخهی ثابت، و یک صفحهنمایش تخت که در نسبت با باقی وسائل خانه جدیدتر بود، دیده میشد. دویچ به من پیشنهاد چای و بیسکویت داد. من هم از او دربارهی تصویر بازیگری که شبیه به هیو گرانت بود پرسیدم.
او جواب داد، «اینطور که معلومه تلویزیون نگاه نمیکنی». مردی که در تصویر روی دیوار بود هیو لری بود، بازیگر انگلیسی که به خاطر بازی در سریال پزشکی آمریکایی «هاوس» بسیار معروف شده است. دویچ توضیح میدهد که به نظرش «سریال هاوس عالی است. موضوعش شناختشناسی است. به غیر از فیزیک پایه، این سریال یکی از علاقههای اصلی من است. سریال راجعبه همهی روشهای بیشماری است که دانش میتواند رشد کند یا در مسیر رشدش شکست بخورد». دویچ برایم میگوید که دکتر هاوس اقتباسی از شرلوک هلمز است. «و دکتر هاوس دوستی به نام ویلسون دارد که بر اساس شخصیت واتسون شکل گرفته. هاوس مانند هلمز عقلگرایی تمامعیار است. برای همه چیز دلیلی پیدا میکند، و اگر دلیلی پیدا نکند، به این علت است که او دلیل را پیدا نکرده نه اینکه دلیل وجود ندارد. داشتن یک همچین رویکردی در علوم پایه حیاتی است.» احتمالاً اگر بور الان اینجا بود با چنین رویکردی مخالفت میکرد.
بخش اعظم شهرت دویچ بهعنوان نابغهای منزوی از مطالعات تأثیرگذار او بر روی محاسبات کوانتومی است. از دههی ۳۰ به بعد، رشتهی علوم کامپیوتر بر اساس ایدهی کامپیوتر جهانی ادامه پیدا کرد، انگارهای که ابتدا بهوسیلهی بنیانگذار مدرن این رشته، آلن تورینگ دانشمند همهچیزدان انگلیسی بنیان گذاشته شد. یک کامپیوتر جهانی که خواهد توانست مثل کامپیوترهای دیگر رفتار کند، درست مانند سنتسایزری که میتواند صدایی را تولید کند که بهوسیلهی دیگر ابزارآلات موسیقی تولید میشود. دویچ در مقالهای که سال ۱۹۸۵ نوشت توضیح داد که با توجه به اینکه تورینگ از فیزیک کلاسیک استفاده میکرد، کامپیوتر جهانی او تنها میتوانست از زیرمجموعهای از کامپیوترهای ممکن تقلید کند. اگر منطق او قرار باشد ادامه پیدا کند، نظریهی تورینگ نیاز داشت تا از مکانیک کوانتوم نیز بهره بگیرد. دویچ یک کامپیوتر جهانی بر پایهی فیزیک کوانتوم را پیشنهاد داد، کامپیوتری جهانی که خواهد توانست توانهایی را محاسبه کند که کامپیوتر تورینگ(حتی از لحاظ نظری) نمیتوانست آنها را شبیهسازی کند.
به گفتهی دویچ، ایدهی این مقاله از مکالمهای شکل گرفت که او در اوایل دههی هشتاد با چارلز بنت[8]، فیزیکدان I.B.M دربارهی نظریهی پیچیدگی محاسباتی داشت، آن زمان، نظریهی پیچیدگی محاسباتی یک رشتهی جدید و جذاب بود که دشواری کارِ محاسباتی را بررسی میکرد. دویچ پرسید آیا پیچیدگی محاسباتی یک ویژگی بنیادی است یا یک ویژگی نسبی. برای مثال جرم، یک ویژگی بنیادی است زیرا در وضعیتهای مختلف یکسان باقی میماند؛ وزن یک ویژگی نسبی است، زیرا وزن یک شی وابسته به نیروی گرانشی است که بر آن شی وارد میشود. توپهای بیسبالِ همانند بر روی زمین و ماه جرمهای یکسانی دارند، اما وزنهای آنها متفاوت است. اگر پیچیدگی محاسباتی مانند جرم ویژگیای بنیادی باشد پس پیچیدگی بسیار موضوع مهمی است؛ اگر نه، پس اینگونه نیست.
دویچ گفت: «دعوا شد و شروع کردیم سر هم داد کشیدن. من گفتم که شما خیلی به این نظریهی پیچیدگی اهمیت میدهید، هیچ کامپیوتر استانداردی وجود ندارد که شما بتوانید از آن برای محاسبهی پیچیدگی یک عمل استفاده کنید.» درست همانطور که وزن یک شی به میدان گرانشیای وابسته است که در آن اندازهگیری میشود، درجهی پیچیدگی محاسباتی نیز به کامپیوتری بستگی دارد که در آن سنجیده میشود. میشد فهمید که اجرای یک محاسبه در یک کامپیوتر خاص چقدر پیچیده است، اما نمیشد در مقیاس جهانی گفت که محاسبه اساساً چقدر پیچیده است. هیچ توصیفی از پیچیدگی وجود نداشت که بشود بنیادین در نظرش گرفت. مگر اینکه واقعاً چیزهایی مثل کامپیوتر جهانی وجود میداشتند. به نظر دویچ نظریهپردازان پیچیدگی وقتشان را بر باد دادند.
دویچ ادامه داد، «بعد از آن چارلی آرام گفت، خب، چیزی که هست، این است که کامپیوتر بنیادین وجود دارد، کامپیوتر بنیادین خود علم فیزیک است.» این حرف دویچ را تحت تأثیر قرار داد. پیچیدگی محاسباتی یک خصیصهی بنیادین است؛ معیار ارزش این خاصیت اینطور برآورد میشود که یک محاسبه چقدر در آن جهانیترین کامپیوتر پیچیده است، و آن پیچیدگی هم در قیاس با فیزیک این جهان تبیین میشود. دویچ گفت: «فهمیدم در این باره حق با چارلی است، اما بعدش فکر کردم، یاروها به نحو نادرستی از فیزیک استفاده میکنند. آنها متوجه شدند که نظریهی پیچیدگی شرحی دربارهی فیزیک است، اما درک نکردند که این مهم است که از قوانین راستین فیزیک استفاده میکنیم یا از نوعی تقریب مثل فیزیک کلاسیک.». دویچ با استفاده از فیزیک کوانتوم بازنویسی کامپیوتر جهانی تورینگ را شروع کرد. او گفت: «بعضی از تفاوتها بسیار فاحش هستند». بنابراین، دستِ کم در ذهن دویچ کامپیوتر جهانی کوانتومی متولد شد.
برخی ژورنالهای فیزیک کار محاسبات کوانتومی اولیهی دویچ را نپذیرفتند، آنها اعتقاد داشتند که این محاسبات کوانتومی بیش از حد فلسفی هستند. او گفت: «سرانجام هنگامی که محاسبات منتشر شدند، آدمهای کمی متوجه ایدهی من شدند.» یکی از آنها آرتور اِکرت فیزیکدان بود که که برای فوقِ لیسانس وارد آکسفورد شده بود و به من گفت: «دیوید از اولین کسانی است که توانسته مفهوم کامپیوتر کوانتومی را فرمولبندی کند.»
یکی دیگر از اشخاص مهم در زمینهی کامپیوتر کوانتومی استفان جی. وایزنر بود. او هم فیزیکدان خلوتگزینی به شمار میآمد، او کسی است که با دلگرمیهای بنت، ایدههایی مثل پول کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی را توسعه داد، و شخص مهم دیگری به نام دیوید آلبرت، فیلسوف علم فیزیک، که تصورات او دربارهی آدمماشینی کوانتومی دروننگر(منظور رباتهای آنالتیک است) در مقالهی ۱۹۸۵ دویچ بهعنوان نمونهی «یک کامپیوتر کوانتومی حقیقی» توصیف شد. اکرت در اینباره میگوید، «راستش ما شبیه یک مشت شارلاتان هستیم.»
هرچند دویچ رسماً مشاور اکرت نبود، اما اکرت به همراه دویچ به مطالعات خود ادامه داد. اکرت به یاد میآورد، «دویچ به نوعی از من اقتباس میکرد و سپس بعد از آن، من به نوعی از او اقتباس میکردم. کلاس ما در مکانی که دویچ زندگی میکند حدود ساعت ۸ شب شروع میشد، درست در زمانی که دویچ ناهارش را میخورد. بعد از آن ما شروع به صحبت و کار میکردیم و کارمان تا اندکی قبل از صبح ادامه پیدا میکرد. او دوست دارد که پشتسرهم دربارهی چیزها صحبت کند. من در ساعت ۳ یا ۴ صبح آنجا را ترک میکنم، و بعد از آن دیوید هم به کارهایش میرسد. اگر به ایدهای برسیم، مقالهای راجعبه آن مینویسیم، اما گاهی مقاله نمینویسیم، و اگر کس دیگری به راه حل جدیدی برسد میگوییم: «خب، لزومی ندارد ما این مقاله را بنویسیم.» هنوز حتی از لحاظ نظری مشخص نبود که چرا کامپیوتر کوانتومی میتواند بهتر از کامپیوتر کلاسیک باشد، و در نتیجه دویچ و اکرت تلاش میکردند تا الگوریتمی را برای مسائلی توسعه دهند که در کامپیوتر کلاسیک حلنشدنی بودند، اما میتوانستند در کامپیوتر کوانتومی نیز حلشدنی باشند.
یک نمونه از این مشکلات، فاکتورگیری اولیه است. فاکتورگیری برای قرنها همچون جام مسیح در ریاضیات بود. فاکتورگیری پایههای رمزنگاری کنونی است. خیلی ساده است که شما دو عدد اولیه بزرگ را در هم ضرب کنید، اما بسیار مشکل است که نتیجهی ضرب دو عدد اولیهی بسیار بزرگ را داشته باشید و بخواهید اعداد اولیهی اصلی که از آن تشکیل شده است را پیدا کنید. فاکتورگیری با کامپیوتر معمولی از عددی که دویست رقم یا ارقام بیشتری دارد مدت زمان بسیار زیادی طول خواهد کشید. فاکتورگیری اولیه نمونهی فرآیندی است که از یک جهت بسیار ساده است (درآمیختن تخممرغها ساده است) و از جهت دیگر بسیار دشوار است (جدا کردن تخممرغهای مخلوط شده تقریباً محال است). در رمزنگاری، دو عدد اولیهی بسیار بزرگ درهمضرب میشوند تا بتوانند یک کد ایمنی بسازند. رمزگشایی از این کد ایمنی مانند جداکردن تخمهای مخلوط شده از هم است. فاکتورگیری اولیه به این شیوه رمزنگاری RSA نامیده میشود (این نام از ابتدای نام دانشمندانی گرفته شده که این روش را پیشنهاد دادند، ریوست، شامیر و ادلمن)، و این همان شیوهای است که به وسیلهی آن از هر چیزی مانند اطلاعات کارت اعتباری شما تا اسناد I.R.S در اینترنت محافظت میشود.
در سال ۱۹۹۲، پیتر شُر ریاضیدان M.I.T گفتوگویی را دربارهی محاسبات کوانتوم نظری میشنود، که توجه او را به کارهای دویچ و دیگر اندیشمندان بنیانگذار در این رشته که همچنان یک رشتهی مبهم است جلب میکند. شُر بهطور خصوصی بر روی مسألهی فاکتورگیری کار میکرد. شر توضیح میدهد: «من مطمئن نبودم که مطالعاتم نتیجهای دهد.» اما یک سال بعد:
۱ – او به الگوریتمی که در کامپیوتر کوانتومی کار میکرد، دست یافت و
۲ – توانست به سرعت فاکتورهای اصلی یک عدد بسیار بزرگ را پیدا کند ــ جام مسیح.
با الگوریتم شُر، محاسباتی که برای یک کامپیوتر معمولی به اندازهی تاریخ جهان طول میکشد، به وسیلهی یک کامپیوتر کوانتومی نسبتاً قدرتمند به اندازهی یک بعدازظهر طول میکشد. دیوید دیوینچنزو فیزیکدان، کسی که دانش بسیاری دربارهی تاریخ محاسبات کوانتومی دارد، میگوید: «کار شُر جهش بسیار بزرگی بود، و این دقیقاً لحظهای بود که با خود گفتیم حالا میتوان دید که این الگوریتم به درد چه کارهایی خواهد خورد.»
امروزه، محاسبات کوانتومی توجه دانشمندان آزمایشگاهی را به خود جلب کرده؛ و همچنین منابع مالی خصوصی و عمومی جدی دارد. شرکتهای سرمایهگذاریِ اهل ریسک در حال سرمایهگذاری بر ابزارهای رمزنگاری کوانتومی هستند، و گروههای تحقیقاتی دانشگاهی در سرتاسر جهان کارهای گروهی بسیاری هم برای ساخت سختافزار و هم برای توسعهی اپلیکیشنهای کامپیوتر کوانتومی -مثلاً برای مدلسازی پروتئینها، یا برای درک بهتر ویژگیهای ابررساناها- انجام میدهند.
در فرآیند گذر از نظریهی محض به ساخت ماشینها، آرتور اکرت چهرهی مهمی است. او مرکز محاسبات کوانتومی را ابتدا در آکسفورد و چند سال بعد در کمبریج بنا کرد. او اکنون مرکز محاسبات کوانتومی را در سنگاپور به راه انداخته، جایی که یکی از اهداف اصلی دولت تحقیقات محاسبات کوانتومی است. به قول دیوینچنزو «امروزه آزمایشگاههای اجرایی بسیاری بر این زمینه تمرکز کردهاند که واقعاً چطور میتوان یک کامپیوتر کوانتومی ساخت». اگر بخواهیم تنها از این چشمانداز بنگریم، میتوان گفت که اکنون اکثریت در این زمینه درگیر تلاش برای ساخت سختافزارهای مورد نیاز هستند. و این نتیجهی موفقیت این رشته است. دوید دویچ میگوید، در سال ۲۰۰۹ گوگل اعلام کرد که سه سال است که درگیر کار بر روی الگوریتمهای محاسبات کوانتومی است، که به وسیلهی آن بتواند کامپیوتری بسازد با این قابلیت که سریعاً چیزها یا آدمهای مشخصی را از میان ذخایر بسیاری از تصاویر یا ویدئو، یا از میان میلیونها تصاویرِ تَگنشده تشخیص دهد.
در اوایل قرن نوزده، به هر شخصی که درگیر محاسبه بود عنوان «کامپیوتر [محاسبهگر]» اطلاق میشد: برای نمونه کسی که برای ساخت یک پل درگیر محاسبات ریاضیاتی بود. حدود سال ۱۸۳۰، مخترع و ریاضیدان انگلیسی به نام چارلز بابیج، ایدهی یک موتور تحلیلی را بنیان نهاد، ماشینی که انسان را از محاسبات حذف کند و سرانجام اشتباهات انسانی در محاسبات را از بین ببرد. تقریباً هیچکس تصور نمیکرد که یک موتور تحلیلی بتواند چنین استفادهای هم داشته باشد، و در زمان بابیج ساخت چنین ماشینی هیچگاه به سرانجام نرسید. هرچند بابیج در معرض فروپاشی روانی جدی قرار گرفت و اگر چه بسیار عجیب بود که در زمان برآشفتگیاش یکبار به آلفرد لرد تنیسون نامهای نوشت تا بنیان ریاضیاتی او را تصحیح کند(بابیج پیشنهاد داد که عبارت «هر دقیقه کسی میمیرد/ هر دقیقه کسی متولد میشود» به صورت «هر لحظه کسی میمیرد/ هر لحظه کسی و یک شانزدهم کسی متولد میشود» بازنویسی شود، که عدد دقیقش ۱.۱۶۷ بود، زیرا به قول او «یقیناً باید یک جایی بر قوانین متریک صحه گذاشت»). اکنون میتوان به بینش و صحت گفتههای او اذعان داشت.
یک کامپیوتر کلاسیک -هر کامپیوتری که امروزه میشناسیم- یک ورودی را به یک خروجی تبدیل میکند، این تغییر رخ نمیدهد مگر از خلال دستکاریِ باینری بیتها یا واحدهای اطلاعات که میتوانند هم صفر یا یک باشند. کامپیوتر کوانتومی از بسیاری جهات شبیه به یک کامپیوتر معمولی است، اما این کامپیوترها به جای بیت از کیوبیت[9] [بیتهای کوانتوم] استفاده میکنند. هر کیوبیت مانند بیت میتواند یا صفر و یا یک باشد، اما همچنین میتواند صفر «و» یک نیز باشد. تغییر ناگهانی مکانیک کوانتومی بهمنزلهی انطباق. این همان وضعیت گرفتاریِ گربه در مثال کلاسیک جعبهی دربستهی شرودینگر است: توامان مرده و زنده. اگر معادلات مکانیک کوانتوم را تحتالفظی بخوانیم، انطباق هستیشناختی است، نه معرفتشناختی: اینگونه نیست که ما ندانیم گربه در کدام وضعیت قرار دارد، بلکه ماجرا از این قرار است که گربه واقعاً در یک زمان در هر دو وضعیت است. انطباق به توصیف فروید از ابهام یا دوسویهگی راستین شباهت دارد: نه احساس عدم اطمینان، بل احساسِ دو اعتقادِ راسخ شدید اما متضاد در آن واحد. و همانطور که دوسویهگی اطلاعات بیشتری را نسبت به هر احساس واحد در خود دارد، یک کیوبیت هم اطلاعات بیشتری را نسبت به یک بیت در خود دارد. آنچه مکانیک کوانتوم درهمپیچیدگی مینامد همچنین در توانهای تکین هر کیوبیت دخیل است. اجزای درگیر نوعی E.S.P دارند: صرف نظر از فاصله، آنها بیدرنگ میتوانند اطلاعاتی را با هم به اشتراک بگذارند که مشاهدهکننده حتی نمیتواند درک کند که این اطلاعات در آنجا وجود دارند. ورودی در یک کامپیوتر کوانتوم میتواند در میان کیوبیتها پخش شود، که این به همان اندازه به فرآیند آن اطلاعات مجال میدهد تا گسترده شود: به یک جزء چیزی منتقل کنید، و این جزء میتواند فوراً آن کلمه را در میان همهی جزءهایی که درگیرشان است پخش کند. اطلاعاتی وجود دارند که ما نمیتوانیم آنها را هنگامی که در میان اجزای درهمتنیده هستند درک کنیم؛ آن اطلاعات راز جمعی آنهاست. همانطور که مکانیک کوانتوم به ما یاد داد، چیزها بهطور اجتنابناپذیری با تلاش ما برای روشن ساختن هر چیزی دربارهی آنها تغییر میکنند. هنگامی که آنها را مورد توجه قرار میدهید، کیوبیتها نیز دیگر در وضعیت درهمتنیدگی یا وضعیت انظباق نیستند: گربه بهطور اجتنابناپذیری تسلیم زندگی یا مرگ میشود، و این توان محاسباتی متمایز کامپیوتر کوانتومی را از بین میبرد. کامپیوتر کوانتومی به یک کتری میماند که صرفا با تماشا کردن به درجه جوش نخواهد رسید. چارلز بنت اطلاعات کوانتوم را اینگونه توصیف میکند: «اطلاعات کوانتوم مانند اطلاعات یک رویا است -نمیتوانیم آن را به دیگران نشان دهیم، و هنگامی که سعی میکنیم تا آن را برای دیگران توضیح دهیم، حافظهی آن را تغییر میدهیم.»
اما هنگامی که کار بر روی اجزای درهمتنیده انجام شد، سپس میتوانیم به آنها نگاه کنیم. هنگامی که برای پیداکردن «جواب» از یک کامپیوتر کوانتوم استفاده میکنیم، با توجه به اینکه آن جواب در میان شیوهی درهمتنیدهی عجیبی، در میان اجزای بسیاری، پیدا شده، نیازمند آن است که در مکانی عادی و بدون درهمتنیدگی آشکار شود. انتقال از وضعیت درهمتنیدگی به وضعیت نادرهمتنیدگی گاهاً «فروپاشی[10]» نامیده میشود. وقتی سیستمی دچار فروپاشی میشود، اطلاعات آن دیگر یک رویا یا راز یا یک گربهی عجیبی که همزمان هم زنده و مرده است، نیستند؛ بلکه جواب آن فقط یک چیز معمولی است که ما میتوانیم آن را بر روی صفحه نمایش بخوانیم.
کیوبیتها صرفاً نظری نیستند. کار اولیه بر روی سختافزار کامپیوتر کوانتومی، کیوبیتها را با دستکاریِ هستههای مغناطیسی اتمهای یک سوپ مایع با جریانهای شدید الکتریکی ساخت. تیمهای بعدی، مثل تیم آکسفورد، کیوبیتها را با استفاده از یونهای محبوس واحد توسعه دادند، روشی که ذرههای اتمی باردار را در فضایی مشخص محدود میکند. این کیوبیتها هرچند ظریف اما بسیار دقیق هستند؛ حفاظت آنها از تداخل واقعاً مشکل است. کیوبیتهای دستکاریشدهی بسیار ساده، هرچند با درجهی کمتری از دقت، بهوسیلهی مواد رسانای قوی برای شکل دادن به الگوی یک اتم ساخته شدند. نوعاً بافت یک کیوبیت تماماً متفاوت از یک چیپ معمولی نیست. در آکسفورد، چیزی را دیدم که شبیه به یک میز هاکی در ابعاد بزرگتر بود، که به شیوهای آشوبناک بهوسیلهی مجموعهای از لگوهای مخصوص پر شده بود، همچون یک سالاد بارِ قابل توجه که محافظی بر بالای آن آویخته بود؛ این دمودستگاه گسترده شامل لیزها، ژنراتورهایی با میدان مغناطیسی و فضاهای خالی نوری، همگی عیناً در زوایای درستی برای دستکاری قرار گرفته بودند تا از تداخل هشت ذره کوچک کیوبیت که در یک لولهی آهنی که در مرکز میز قرار داشت محافظت شوند.
کامپیوتر کوانتومی هشت کیوبیتی آکسفورد بهطور چشمگیری توان محاسباتی کمتری از یک چرتکه دارد، اما پنجاه تا صد کیوبیت میتواند چیزی قدرتمند چون یک لپتاپ بسازد. تیمی در بریستول در انگلستان، یک کامپیوتر کوانتومی چهار بیتی کوچک دارد که میتواند از عددی ۱۵ رقمی فاکتور بگیرد. یک شرکت کانادایی ادعا میکند که کامپیوتر کوانتومی دارد که میتواند سودوکو حل کند، هرچند این ادعا به وسیلهی کسی زیر سوال رفت که میگوید این عمل پردازش میتواند به وسیلهی بیتهای معمولی انجام شود، بدون هیچگونه انظباق یا درهمتنیدگی.
افزایش تعداد کیوبیتها، و متعاقباً توان کامپیوتر، چیزی بیش از یک طبقهبندی ساده است. روبرت شواِلکوف، پروفسور فیزیک در دانشگاه ییل است که تیم محاسبات کوانتومی را هدایت میکند، او توضیح میدهد که «یکی از اصلیترین مشکلات افزایش کیوبیتها، دقت آنها است». منظور او از دقت یا صحت این است که کیوبیتها به سادگی «ناهمساز یا منفصل» میشوند یا به عبارتی از حالت حفاظت اطلاعاتیشان میگسلند. «درست همین الان، کیوبیتها میتوانند تا حدود یک میکروثانیه صحت عمل داشته باشند. و محاسبات ما حدود صد نانوثانیه طول میکشد. یا محاسبات نیازمند آن است که سریعتر انجام شود یا کیوبیتها باید صحیحتر ساخته شوند.»
آنچه کیوبیتها انجام میدهند، همانطور که ما نگاهمان را برمیگردانیم، موضوع بعضی مناقشات است، و گهگاه موضوع برخی بیتفاوتیهای مشخص -خفهشو و محاسبه کن- مخصوصاً برای بیشتر فیزیکدانهای عملگرا. از نظر دویچ، برای درک حقیقیِ کارهای یک کامپیوتر کوانتومی پذیرش تفسیر جهانهای بیشمار از مکانیک کوانتومِ هوگ اورت[11] ضروری است.
نظریهی اورت هنگامی که در سال ۱۹۵۷ منتشر شد، مورد بیتوجهی قرار گرفت، نظریهی او همچنان یک دیدگاه اقلیتی است. این نظریه استدلال غیرشهودی ذیل را شامل میشود: هر بار بیش از یک خروجی ممکن وجود دارد، همهی امکانها رخ میدهند. پس اگر یک اتم رادیواکتیو بتواند یا نتواند در هر ثانیهی مفروض تجزیه شود، پس توامان هم تجزیه میشود و هم نمیشود(یعنی هر دو امکان رخ میدهد)؛ آن اتم رادیواکتیو در یک جهان تجزیه میشود، و در جهان دیگر تجزیه نمیشود. این انشعابهای کوچکِ امکان منتشر میشوند تا هر چه در واقعیت امکان دارد ممکن شود. برطبق نظریهی جهانهای بیشمار، به جای یک تاریخ واحد، انشعابهای بیحدوحصری وجود دارند. در یک جهان گربه شما مرده است، در جهان دیگر نمرده است، در جهان سوم در تصادفی با یک سورتمه در سن ۷ سالگی مردهاید و هیچگاه گربهتان را در جعبهای نگذاشتهاید که در جهان اول آن گربه را در آن گذاشته بودید و الخ.
جهانهای بیشمار از حیث هستیشناختی قضیهی عجیبوغریبی است. اما همچنین دلالتهای پیشپاافتادهی سادهای نیز دارد: در نظریهی جهانهای بیشمار، اشتیاق علمی برای توضیح این جهان به صورت کاملی دست نخورده باقی میماند. همانطور که دویچ توضیح میدهد، غرابت انطباق صرفاً «پدیدهی متغیرهای فیزیکی با ارزشهای متفاوت در جهانهای متفاوت است.» و درهمتنیدگی که خصوصاً به خاطر دلالتش -اینکه اجزا میتوانند صرف نظر از فاصلهشان در فضا یا مکان آناً ارتباط برقرار کنند- مایهی دردسر اینشتین و دیگران بود، نیز رفع شد. اطلاعات که به نظر میرسید با سرعتی بیشتر از سرعت نور و در میان مسیرهای قابل شناسایی -به صورت مرموزی انتقال پیدا میکند تو گویی به وسیلهی E.S.P.- سفر میکند، میتواند، در نظریهی جهانهای بیشمار، بر حسب حرکت متفاوتی درک شود. اطلاعات همچنان به شیوهای «معمول» از طریق تماسهای مستقیم پخش میشود؛ به همین خاطر است که ما نیازمند آن هستیم که از طریق مماسهای جهانهای مجاور با آن تماس تنظیم شویم.
نظریهی جهانهای بیشمار این امتیاز ویژه را هم دارد که در آن عنصر تصادف از دور خارج میشود. شانس ده درصدی اتم تجزیه شده به هیچ وجه تصادفی نیست، بلکه در عوض به این قطعیت اشاره میکند که این اتم در ده درصد از جهانهایی که از آن نقطه منشعب شده تجزیه خواهد شد. (حول معنای دقیق هر یک از این اصطلاحاتِ توصیفی، از «شانس» تا «انشعاب» تا «جهان»، تمایزی شکوهمند وجود دارد که نشانگر علمی بودن آنهاست.)
برخی در دههی هفتاد به نظریهی اورت توجه جدیای کردند، در حالیکه این نظریه در آن زمان چنین جدیتی نداشت، اما امروزه اغلب فیزیکدانها چندان درگیر این نظریه نمیشوند. دیوینچنزو میگوید، «من شخصاً هیچوقت این نظریه را تائید نکردم، اما آن را مضر هم ندانستم.» یک فیزیکدان متخصص محاسبات کوانتومی دیگر، این نظرگاه را «کاملاً احمقانه» مینامد، اما اکرت میگوید، «از میان تمام نظریههای عجیبوغریب که وجود دارند، جهانهای بیشمار کمتر از بقیه عجیبوغریب است.» به نظر دویچ، «رویکرد اورت اینگونه بود که به نظریهی کوانتوم نگاه کند و ببیند که این نظریه در واقع چه میگوید، به جای اینکه امید داشته باشد که این نظریه چیزهای مشخصی بگوید. ما از یک نظریه میخواهیم که با واقعیت تطابق داشته باشد، و، برای اینکه متوجه شویم یک نظریه در هرحال چه میکند، نیازمند آن هستیم که ببینیم در واقع نظریه چه میگوید. که این امر دربارهی ژرفترین نظریات بسیار سخت است، زیرا این نظریهها شهود ما را مختل میکنند.»
من به دویچ گفتم که شنیدهام که حتی اورت فکر میکرد که نظریهاش هرگز نمیتواند تست شود.
دویچ گفت، «این یک اشتباه مصیبتبار بود، هر مخترع با درک جهان سوژه شروع میکند بهگونهای که انگار این سوژه پیش از اختراعش بوده. پس او نمیتواند برای اینکه نظریهاش بهعنوان یک تفسیر مورد توجه قرار میگیرد ملامت شود -در این لحظه او برای مدتی مکث میکند- اما من آزمایشی را برای نظریهی اورت پیشنهاد دادم.»
دویچ یک برنامهی هوش مصنوعی را بر روی کامپیوتری که میتوانست در یک آزمایش مکانیک کوانتومی به عنوان یک «مشاهدهگر» استفاده شود به راه میاندازد؛ یک برنامهی هوش مصنوعی، به جای یک دانشمند، میتواند «نگاهی» مسألهزا داشته باشد، و بهوسیلهی ایدهی هوشمندانهای که در ذهن دویچ بود، اگر نظریهی اورت درست بود یک فیزیکدان با نگاه به مشاهدهگر هوش مصنوعی خواهد توانست نتیجهای را ببیند، و یا اگر نظریهی اورت غلط بود، نتیجهی دیگری را ببیند.
به هر حال، این یک آزمایش فکر بود. هیچ برنامهی هوش مصنوعی در هیچ جا وجود نداشت که بتواند تا آن حد پیچیده باشد که به عنوان یک مشاهدهگر عمل کند. دویچ استدلال کرد که از حیث نظری چنین برنامهای میتواند وجود داشته باشد، هرچند چنین برنامهای تنها میتوانست بر روی یک سختافزار اساساً پیشرفته راهاندازی شود ــ سختافزاری که میتواند سختافزارهای دیگر از جمله ذهن انسان را مدلسازی کند. کامپیوتری که برنامهی هوش مصنوعی بر روی آن اجرا میشود «باید ویژگی جهانی بودن را داشته باشد . . . پس من باید این کامپیوتر جهانی منسجم کوانتومی را مبنا قرار میدادم، و این در واقع یکی از اولین پیشنهادهای من برای کامپیوتر کوانتومی بود. هرچند من به ماجرا اینگونه فکر نمیکردم، و در آن زمان این کامپیوتر را کامپیوتر کوانتومی نمینامیدم. اما داستان از این قرار بود.» به نظر میرسد که ایدهی یک کامپیوتر کوانتومی دو بار در ذهن دویچ مطرح شد: یکبار زمانی که مشغول ابداع روشی برای آزمایش اعتبار تفسیر جهانهای بیشمار بود، و دومین بار، این ایده از گفتگویی دربارهی نظریهی پیچیدگی سر برآورد، گفتگویی که از نظریهی جهانهای بیشمار حمایت میکرد.
دویچ برای کسانی که تفسیر جهانهای بیشمار را بهطور غیرلازمی باروک [زاید، الکی پر زرقوبرق] میدانند، مینویسد، «نظریهی کوانتومی جهانهای موازی مسأله نیست بلکه راه حل است . . . نظریهی کوانتومیِ جهانهای موازی، تنها توضیح قابل دفاع از واقعیتی قابل توجه و ضد شهودی است.» این نظریه همچنین توضیح میدهد که یک کامپیوتر کوانتومی ممکن است چگونه کار کند. دویچ به من گفت که کامپیوتر کوانتومی «اولین تکنولوژی خواهد بود که اجازه میدهد کارهای مفید با همدستی بین جهانهای موازی اجرا شوند.» توان پردازش کامپیوتر کوانتومی نوعی از منابع خارجی[12] کار میآید که در آن از حیث تحتالفظی محاسبات در جهانهای دیگر رخ میدهند. اجزای درهمتنیده بهمنزلهی مسیرهای ارتباط میان جهانهای متفاوت عمل میکنند، آن اجزاء اطلاعات را به اشتراک میگذارند و نتایج را جمعآوری میکنند. دویچ ادامه میدهد، پس، برای مثال، در نمونهی الگوریتم شُر، «هنگامی که ما چنین الگوریتمی را به راه میاندازیم، نمونههای شمارشناپذیری از ما همچنین این الگوریتم را در جهانهای دیگر به راه میاندازند. کامپیوتر کوانتومی بعضی از این جهانها را ــ با ساخت یک انطباق ــ تشخیص میدهد و در نتیجه آنها بخشی از این محاسبات را بر تنوع عظیمی از ورودیهای متفاوت اجرا میکنند. بعد، آن مقدارها بر هم تأثیر میگذارند، و بدین طریق همگی در پاسخ پایانی مداخله میکنند، تنها به شیوهایی که جوابی همسان در همهی جهانها آشکار میشود.»
دویچ اساساً علاقهمند به ساخت کامپیوتری کوانتومی برای دلالتهایش در فیزیک پایهای بود، که تفسیر جهانهای بی شمار را نیز شامل میشد، که پیروزیای بر این استدلال خواهد بود که علم میتواند این جهان را توضیح دهد، و اینکه متعاقباً، واقعیت قابل شناخت است. (دویچ در هنگام بحث دربارهی هیو لری میگوید «دکتر هاوس انسانها را درمان میکند، نه به این خاطر که او به مردم علاقه دارد بلکه به این خاطر که او به حل کردن مسائل علاقه دارد.») الگوریتم شُر، دویچ را برمیانگیزاند، و کتاب «بافت واقعیت» جایی است که میتوان شور و هیجان دویچ را نسبت به این الگوریتم دید.
ای کسانی که همچنان به نظرگاه تکجهانی (نه جهانهای بیشمار) باور دارید، برایتان چالشی دارم: شرح دهید که الگوریتم شُر چگونه کار میکند. من صرفاً قصد پیشبینی نحوهی کار این الگوریتم را ندارم، که این صرفاً موضوع برخی از معادلات غیرجدلی است. قصد من ارائهی یک توضیح است. هنگامی که الگوریتم شُر از یک عدد فاکتورگیری میکند، از بیش از ۱۰۵۰۰ منبع محاسباتی افزون بر آنچه بتوان دید استفاده میکند، عددی که از آن فاکتورگیری شده کجاست؟ تنها حدود ۱۰۸۰ اتم در سرتاسر عالم مرئی وجود دارد، و یک عدد کاملاً کوچک با ۱۰۵۰۰ مقایسه میشود. پس اگر عالم مرئی امتداد واقعیت فیزیکی باشد، واقعیت فیزیکی ابداً در بردارندهی منابع موردنیاز برای فاکتورگیری از چنین عدد بزرگی را ندارد. پس چه کسی از آن فاکتورگیری میکند؟ چگونه و کجا، این محاسبات انجام شدهاند؟
دویچ معتقد است که محاسبات کوانتومی و جهانهای بیشمار، به صورت درهمتنیدهای به هم گره خوردهاند. او تقریباً در این عقیده تنها است، با اینحال، بسیاری (مخصوصاً حوالی آکسفورد) اعتراف کردند که ساختار قابل ملاحظه و پایدار کامپیوتر کوانتومی میتواند گواهی به نفع تفسیر اورت باشد. دویچ به من گفت، «اگر کامپیوترهای کوانتومی واقعی وجود داشتند، و یک روزنامهنگار میتوانست به آزمایشگاههای واقعی برود و بپرسد که یک ماشین واقعی چگونه کار میکند، آن وقت فیزیکدان در پاسخ به او یا مزخرفی مبهم و تاریک تحویل میداد، یا برحسب جهانهای موازی به او توضیح میداد. اگر اینطور شود جهانهای بیشمار قسمتی از فرهنگ ما خواهد شد. در واقع، جهانهای بیشمار ربطی به ساخت کامپیوترهای کوانتومی ندارد. اما از نظر روانشناختی کاملاً به ساخت این کامپیوترها متکی است.»
بسیار وسوسهانگیز است که به دویچ به عنوان یک رویابین در طرفداریاش از تفسیر جهانهای بیشمار نگاه کنیم، به این دلیل ساده که دویچ پیش از این نیز یک رویابین بود. در انتهای مکالمهی ما دویچ به این نتیجه میرسد که «کامپیوترهای کوانتومی باید در دههی ۳۰ ابداع میشدند.» «در کارهایی که من در دههی هفتاد و اوایل دههی هشتاد انجام دادم، از هیچ ابداعی که در دههی ۳۰ شناخته شده بود استفاده نکردم.» این حقیقت محض است. دویچ ادامه داد «پرسش این است که چرا.»
دیوینچنزو تفسیری ممکن را پیشنهاد میدهد. «بیشتر فیزیکدانها میگویند، من در فلسفه قوی نیستم و واقعاً نمیدانم دربارهی چه چیزی فکر میکنم، و این اشکالی ندارد.» او جهانهای بیشمار را تصدیق نمیکند، اما او میل ندارد باور دویچ را رد کند، زیرا از یک سو این نظریه باعث شد دویچ نظریههای مهمش را ارائه دهد، اما از سوی دیگر همچنین به این دلیل که «مکانیک کوانتومی جایگاه ویژهای در فیزیک دارد، از این لحاظ که این علم یک زیرجریان فلسفی دارد که حتی در قوانین نیوتن یا گرانش نیز نمیتوانید پیدا کنید. اما اکثریت فیزیکدانها میگویند که این همچون باتلاقی است که نمیخواهند به آن وارد شوند -آنها در عوض دلالتهای ایدهها را از کار در میآورند؛ آنها ترجیح میدهند به محاسبهی چیزها بپردازند.»
در دانشگاه ییل، تیم تحت هدایت روبرت شواِلکوف، یک کامپیوتر کوانتومی دو کیوبیتی ساخت. شواِلکوف به من گفت «دویچ یک اندیشمند مبتکر است و مقالههای اولیهی او همچنان بسیار مهم هستند». «اما آنچه ما در اینجا انجام میدهیم، تلاش برای توسعهی سختافزار است، تا ببینیم که آیا این تفسیرهایی که نظریهپردازان به آن میرسند جواب میدهد یا نه.» آنها کامپیوترشان را به نحوی میسازند که الگوریتمی معروف به الگوریتمِ گروور را راهاندازی کند، الگوریتمی که با سنخِ خالبازیِ چهاربرگ (ورق) سروکار دارد: کدام ورقِ پنهان بیبی است؟ الگوریتم شُر تا اندازهای برای مبتدیان است، چیزی که یک کامپیوتر کوانتومی کوچک نیز میتواند آن را به کار بگیرد.
تیم ییل چیپهای پردازنده کیوبیت شان را در خانه میسازد. شواِلکوف میگوید، «این چیپ اساساً از یک قرص بسیار نازک سیلیکات آلومینیوم و منیزیم یا سیلیکون ــ که عایق بسیار خوبی است ــ ساخته میشود، سپس ما یک فیلم نقشهبرداری شده از جنس فلزی ابررسانا را بر روی آن نصب میکنیم، تا به این شبکهی اتصالات و کیوبیتها شکل دهیم.» آنچه او به من نشان داد کوچکتر از ناخن انگشت کوچک و مانند نقشهی یک سیستم مترو بود.
شواِلکوف و همکارش میشل دوره که تیمی مجزا را هدایت میکنند، من را به اتاق بزرگی بردند که با میزهای آزمایشگاهی سیاه رنگ، ابزار اسرارآمیز و نه صرفاً مانیتورهای پیشرفته پر شده بود. زیباشناسی این فضا بیآنکه بخواهند از نوع استیمپانک بود. گردوخاک در اتاق من را به عطسه انداخت. شواِلکوف گفت «ما دوست نداریم که سرایدارها اینجا را جارو بکشند، چون میترسیم نظم اینجا را به هم بریزند.»
چیپ کیوبیت کوچک است، اما ابزار محافظاش ابهتی دارد. بزرگترین قطعهی این ابزار لولهکشی یخچالی گرانقیمت است که دمای هوا را حول و حوش دو کیوبیت تا ۱۰ میلی درجه بیشتر از صفر مطلق کاهش میدهد. این سرما دقت کامپیوتر را بهبود میبخشد. دم و دستگاه دیگری سیگنالهای الکترومغناطیسی کوچکی را که این کیوبیتها را دستکاری میکنند تولید و آنها را در هر درجهای از انطباق قرار میدهند که آزمایشگر انتخاب میکند.
به راه انداختن این الگوریتم گراور در یک کامپیوتر معمولی، یک تا سه مرحله طول میکشد ــ اگر بعد از اینکه سومین کارت را چک کردید و هنوز بیبی را پیدا نکردید، شما میدانید که چهارمین کارت مطمئناً بیبی است ــ و به طور متوسط ۲.۲۵ مرحله طول خواهد کشید. یک کامپیوتر کوانتومی میتواند این کار را تنها در یک مرحله انجام دهد. این به این خاطر است که این کیوبیتها میتوانند ارزشهای متفاوتی را در یک زمان نشان دهند. در مثال خالبازی چهاربرگ، هر کدام از کارتها در هر یک از چهار مرحله نشان داده میشوند: ۰ و ۰، ۰ و ۱، ۱ و ۰، ۱ و ۱. شواِلکوف یکی از این مراحل را بهعنوان بیبی درنظر میگیرد، و کامپیوتر کوانتومی باید مشخص کند که کدامیک از این مراحل بیبی است. او توضیح میدهد «این جادو از مراحل اولیهی این کامپیوتر میآید». هر دوی کیوبیتها به همراه ضربان تابش امواج الکترومغناطیسی کوچک در انطباقی از صفر و یک برپا میشوند، پس هر کیوبیت دو مرحله را در یک زمان نشان میدهد، و دو کیوبیت با همدیگر همهی چهار مرحله را نشان میدهند.
دِوُرت توضیح داد «اطلاعات میتواند، به شیوهای تصویرنگارانه [holographically] از خلال سرتاسر این کامپیوتر نشان داده شود؛ این همان چیزی است که استخراج میکنیم». «این همان ویژگیای است که شما در یک پردازندهی اطلاعاتی کلاسیک پیدا نمیکنید. یک بیت باید در یک حالت باشد ــ یا باید اینجا و یا باید آنجا باشد. بسیار مفید است که این بیت را در همه جا داشته باشیم.»
این کامپیوتر، همزمان از خلال انطباق [برهمنهی] و درهمتنیدگی، چهار وضعیت ممکن بیبی را بررسی میکند. شواِلکوف گفت «درست الان ما فقط به ۸۰ درصد جواب رسیدیم و حتی همین مقدار هم ما را بسیار به هیجان میآورد.»
با الگوریتم گراور یا از لحاظ نظری با الگوریتم شُر، محاسبات در جهانهای موازی، هر چند نه لزوماً در جهانهای موازی اجرا میشوند. شواِلکوف به طور مختصر بیان میکند که «این همچون آن است که من یک کامپیوتر کلاسیک عظیم داشته باشم که همهی شرایط اولیهی متفاوت را در یک زمان آزمایش کند.» «شما با یک شرایط کاملاً مشخص آغاز میکنید، و با یک شرایط کاملاً مشخص تمام میکنید. در این بین، حالتهای درهمپیچیده و دیوانهکنندهای وجود دارد، اما هیچ مشکلی ندارد.»
شواِلکوف تاکید میکند که ماشینهای کوانتومی یک سیستم بامزه، اما در واقع صحیح هستند. «این عجیبوغریب بودن، همچون انطباق و درهمپیچیدگی ــ شبیه به محدودیت به نظر میرسند، اما در واقع آنها منابعی قابل استفاده هستند. مکانیک کوانتومی دیگر یک نظریهی جدید یا حیرتآور نیست که برای ما جالب به نظر برسند.»
به نظر میرسید شواِلکوف پیشنهاد داد که پرسشهای وجودی همچون آن پرسشهایی که جهانهای بیشمار احتمالاً پیش میکشند، صرفاً غیرعملی از کار در میآیند. او ادامه میدهد «اگر مجبور شوید نتیجهای را در آزمایشگاه من بر حسب این چیپ محاسبهگر به همراه دمودستگاه اندازهگیری، به علاوهی کامپیوتری که جمعآوری دادهها را انجام میدهد و به همراه آزمایشگری که پشت این سکو ایستاده…. توصیف کنید، در یک نقطهی مشخص تنها بهتر است تسلیم شوید و بگویید موضوع دیگر ماشینهای کوانتومی نیستند، من الان فقط به نتیجهای کلاسیک نیاز دارم. در یک نقطهی مشخص شما باید به سادهسازی تن بدهید و بعضی از این اطلاعات کوانتومی را دور بریزید.» وقتی از او پرسیدم که راجعبه جهانهای بیشمار و تفسیرهای «فروپاشی» چه فکر میکند ــ وضعیتی که در آن حتا «نگاه کردن» موجب تغییری از یک وضعیت درهمتنیده به وضعیتی درهم نپیچیده میشود ــ او گفت، «من یک زبان بدیل دارم که ترجیح میدهم در توصیف مکانیک کوانتوم از آن استفاده کنم، که در آن زبان مکانیک کوانتومی را در واقع باید «فروپاشی فیزیکدان» نامید.» او میداند که این یک صورتبندی جالب است، اما او با گفتن این چیز، چیزی قائم به ذات را مدنظر ندارد. «در واقعیت داستان بر سر این است که کجا بحث دربارهی این مسئله فرو میپاشد.»
من فکر میکردم که دویچ شاید از تحقیقات تیم ییل خوشحال شود، من ایمیلی به او دربارهی پیشرفت ساخت کامپیوترهای کوانتومی فرستادم. او پاسخ داد: «آه، من مطمئنم کامپیوترهای کوانتومی به هر حال مفید خواهند بود، اما در واقع من در فیزیک تجربی، فقط یک تماشاگر هستم.»
سر آرتور کانن دویل اصلاً آن مدل داستانهای کاراگاهی را دوست نداشت که درامشان برساختهی گسترش سرنخها حین پیشروی داستان بود. کانن دویل میخواست داستانهایی بنویسد که در آن همهی عناصر برای حل معما از همان آغاز حاضر باشند و درامپردازی به سیاق داستانهای آلن پو ــ که کانن دویل از او به عنوان پیشگامش یاد میکرد ــ در اَعمالِ روحیروانی استدلالکنندهی ایدهآلش[هولمز] تجلی بیابد. داستان محاسبات کوانتومی هم منتج چنین فرآیندیست. یک جرقهی هولمزی. زیرا همهی سرنخها برای ابداع یک کامپیوتر کوانتومی اساساً از زمان اکتشاف مکانیک کوانتوم وجود داشتهاند، و مترصد ذهنی بودهاند که آنها را به درستی رمزگشایی کند.
اما نویسندگان داستانهای کارآگاهی معمولاً توانایی این را نداشتهاند تا به عقلانیت مخلوقاتِ ایدهآلسازیشدهشان پایبند بمانند. کانن دویل به «عالم ارواح» و قصههای پریان باور داشت، حتی وقتی مشهورترین روحگرایان و عکاسان قصههای پریان مکرراً کذب بودن خودشان را افشا میکردند و دیگر دستشان رو شده بود. کانن دویل معتقد بود که رفیقش هری هودینی نیروهای فراطبیعی دارد، هودینی هرگز نتوانست این اعتقاد دویل را تصحیح کند. کانن دویل در واقع ایمان داشت که یک جهان ارواح خارج از این جهان وجود دارد و متعاقباً دهههای آخر زندگیاش را صرف به چنگ آوردن شواهد واقعی برای تصدیق اعتقادات پابرجایش کرد.
فیزیکدانها کاراگاهانی هستیشناختی هستند. ما دانشمندان را بهعنوان آدمهایی کاملاً عقلانی، پذیرا نسب به همهی استدلالهای ممکن در نظر میگیریم. اما شروعکردن با یک اعتقاد و بعد استفاده از شجاعت عقلانی برای حمایت از آن اعتقاد، آن چیزیست که دانشمندانی مثل دویچ را منحصربهفرد میکند. میتوان استدلال کرد که او رویای محاسبات کوانتومی را در سر داشت زیرا او خودش را وقف این ایده کرد که علم میتواند این جهان را توضیح دهد. اما دویچ با این حرف مخالف است.
دویچ در «بافت واقعیت» مینویسد، «وقتی یک پسربچه بودم به من گفتند که در دوران باستان هنوز میشد هر چیزِ شناختهشده را شناخت. میگفتند که امروزه چیزهای زیادی شناخته شدهاند که هیچکس نمیتواند حتی در طول زندگی واقعاً دربارهی آنها جز اندکی بیاموزد. این گزارهی آخر من را متعجب و ناامید میکرد. در واقع من از پذیرشِ آن امتناع کردم.» زندگی دویچ تلاشی بود برای تأیید آن ناباوری شهودی. کارهای او تلاشی بود برای جمعآوری استدلال برای اعتقادی که او داشت، چون به این ماجرا ایمان داشت.
دویچ برای طفرهرفتن از پرسشهایی دربارهی اینکه چگونه به ایدههایش رسیده ماهر است. او با من شوخی کرد و گفت این ایدهها از مهمانیهایی که رفتم به دست آمده، اما من متوجه شدم که از آخرین مهمانیای که او رفته یک سال میگذرد. او گفت «من مدلِ گزارش علمیای که دربارهی چنین مسائلی صحبت میکند را دوست ندارم. این سبک گزارش گمراهکننده است. برامس با قهوهی تلخ زنده بود و خودش را مجبور میکرد تا روزانه نتهایی بنویسد. او ادامه داد: «ببین من نمیتوانم تو را از نوشتن مقالهای دربارهی یک انگلیسی عجیبوغریب که فکر میکند جهانهای موازی وجود دارد، منع کنم. اما من فکر میکنم که چنین مدل فکر کردنی خوار شمردن خواننده است. درست مثل این است که بگوییم، اگر شما به این شکل عجیبوغریب نیستید، هیچ امیدی نداشته باشید برای اینکه یک اندیشمند خلاق شوید. این درست نیست، این غیرعادی بودن صرفاً ظاهری است.»
صحبت کردن با دویچ همچون موردپژوهی خردی است که از میل پیروی میکند. این میل مخلوقِ خرد ناب است. همانطور که او در ستایش فروید گفت، «فروید به این دنیا خدمت بزرگی کرد. او صحبت کردن دربارهی مکانیسمهای روان را به راه انداخت، مکانیسمهایی که شاید از آنها آگاه نباشیم. نظریهی واقعی او به کلی اشتباه بود، به سختی میشود یک چیز واقعاً علمی در گفتههای او پیدا کرد، اما این مسئله آنقدرها هم بد نیست. او یک پیشگام بود، یکی از اولین کسانی که تلاش کرد تا دربارهی چیزها بهصورت عقلانی بیاندیشد.»
[1] David Deutsch
[2] bit
[3] Michael Faraday
[4] Richard Feynman
[5] Superposition
[6] entangled
[7] Niels Bohr
[8] Charles Bennett
[9] qubit
[10] collapse
[11] Hugh Everett
[12] outsourcing