Computerwetenschappers bouwen cellulaire automaat Supercollider

Een van de vroegste ontdekkingen in de Spel van het leven was het zweefvliegtuig, een zichzelf in stand houdend patroon dat diagonaal over het raster beweegt in een cellulaire automaat.

Zweefvliegtuigen zijn belangrijk omdat ze informatie doorgeven in deze virtuele wereld. Ze doen ook interessante dingen. Wanneer zweefvliegtuigen botsen, kunnen ze complexere objecten vormen, zoals zweefvliegtuiggeweren. Wanneer ze andere objecten raken, kunnen ze ze duwen of trekken.

In feite kunnen zweefvliegtuigen zo worden gerangschikt dat ze informatie verwerken, zoals logische poorten. Het duurde niet lang voordat computerwetenschappers aantoonden dat dergelijke regelingen rekenkundig equivalent kunnen worden gemaakt aan een Turing-machine. Met andere woorden, zweefvliegtuigen kunnen rekenen.

Dat idee heeft in de loop der jaren de interesse gewekt van verschillende computerwetenschappers. (Niet de minste daarvan is Stephen Wolfram die nauwgezet de computationele eigenschappen van cellulaire automaten heeft gekarakteriseerd en zijn ideeën heeft gepubliceerd als A New Kind of Science.)

Deze manier van denken roept een interessante vraag op: hoe bouw je een bruikbare computer uit zweefvliegtuigen.

In 2002 kwam Tommasso Tofoli van de Boston University met een interessant idee. Zweefvliegtuigen zijn niet de enige deeltjes die bewegen in de Game of Life. Er zijn talloze andere met verschillende eigenschappen, zoals snelheid en vorm. Wanneer deze botsen, kunnen ze andere deeltjes vormen die in andere richtingen wegstromen.

Maar hier is het ding. Elk deeltje is niet meer dan een reeks bits. Wanneer een deeltje interageert met een ander, kunnen de bitstrings uiteindelijk worden aangepast om andere bitstrings te produceren. Toffoli's inzicht was om te begrijpen dat dit proces in wezen een berekening is en dat supercolliders van zweefvliegtuigen complexe berekeningen kunnen uitvoeren.

Vandaag kondigen Genaro Martinez van de University of the West of England in Bristol en een paar vrienden aan dat ze zo'n cyclotron voor een zweefvliegtuig hebben gemaakt en getest.

Het maken van zo'n apparaat is niet helemaal eenvoudig. Deeltjes in een cellulaire automaat hebben de neiging om in rechte lijnen te bewegen, dus een uitdaging is om manieren te vinden om de balken te sturen zodat ze botsen. Martinez en co lossen dit op door bundels langs andere virtuele structuren te leiden die zich gedragen als de magneten in echte deeltjesversnellers, en deeltjes in lijn schoppen als ze passeren.

En als kers op de taart hebben Martinez en co botsingen tussen zwermen zweefvliegtuigen zo geconstrueerd dat ze berekeningen uitvoeren.

Dat is indrukwekkend, maar waarom is het nuttiger dan andere vormen van berekening? Het antwoord is tweeledig. Ten eerste zeggen Martiniez en vrienden dat deze supercolliders een hele klasse natuurlijke botsingen kunnen nabootsen die anders moeilijk te modelleren zijn. Ze denken aan dingen als knikken, ademen en solitonen in moleculaire ketens, fasonen in quasi-kristallen, knikken in ferromagneten enzovoort.

Dit soort op botsingen gebaseerde berekeningen heeft een groot voordeel ten opzichte van conventioneel computergebruik, omdat het al veel eigenschappen gemeen heeft met het systeem dat het emuleert. Dat heeft de potentie om het modelleren eenvoudiger en nauwkeuriger te maken.

De tweede reden is dat het wellicht mogelijk is om zweefvliegcyclotrons te maken met behulp van bepaalde soorten polymeerketens, die kunnen worden gemaakt om zich als cellulaire automaten te gedragen. Als dit mogelijk zou zijn, zou een berekening een relatief eenvoudig fysiek systeem dwingen om het gedrag van een veel complexer systeem te simuleren.

Dat is een grote prijs, als die behaald kan worden. En daar zit de kneep. Er is geen gebrek aan veelbelovende ideeën en zelfs prototypes van onconventionele vormen van computergebruik (we hebben er al een paar van deze groep bekeken aan de University of the West of England). Maar met uitzondering van quantum computing zijn er nog maar weinig voorbeelden van echt bruikbare toepassingen.

Martinez en co zeggen dat ze werken aan het bouwen van supercolliders uit polymeerketens. We zullen kijken om te zien hoe ze het doen.

Referentie: arxiv.org/abs/1105.4332 : Cellulaire automaat Supercolliders

zich verstoppen