211service.com
De computer van morgen, gisteren
Bijna 50 natuurkundigen en computerwetenschappers kwamen bijeen voor de historische conferentie in 1981 in Endicott House. (Scroll naar beneden om hun namen te zien.) CHARLIE BENNETT / IBM
Quantum computing zoals we het kennen, begon dit voorjaar 40 jaar geleden op de eerste Physics of Computation-conferentie, georganiseerd in het Endicott House van MIT door MIT en IBM en bijgewoond door bijna 50 onderzoekers op het gebied van informatica en natuurkunde - twee groepen die zelden met elkaar in contact kwamen.
Twintig jaar eerder, in 1961, had een IBM-onderzoeker, Rolf Landauer genaamd, een fundamenteel verband gevonden tussen de twee velden: hij bewees dat elke keer dat een computer een beetje informatie wist, er een klein beetje warmte wordt geproduceerd, wat overeenkomt met de entropietoename in het systeem. In 1972 huurde Landauer de theoretische computerwetenschapper Charlie Bennett in, die aantoonde dat de toename van entropie kan worden vermeden door een computer die zijn berekeningen op een omkeerbare manier uitvoert. Vreemd genoeg was Ed Fredkin, de MIT-professor die samen met Landauer de Endicott-conferentie co-sponsorde, onafhankelijk tot dezelfde conclusie gekomen, ondanks dat hij zelfs nooit een bachelordiploma had behaald. Inderdaad, de meeste hervertellingen van het oorsprongsverhaal van kwantumcomputing zien de cruciale rol van Fredkin over het hoofd.
Fredkins ongebruikelijke carrière begon toen hij zich inschreef aan het California Institute of Technology in 1951. Hoewel hij briljant was in zijn toelatingsexamens, was hij niet geïnteresseerd in huiswerk - en moest hij twee banen hebben om collegegeld te betalen. Hij deed het slecht op school en had geen geld meer, trok zich in 1952 terug en nam dienst bij de luchtmacht om te voorkomen dat hij werd opgeroepen voor de Koreaanse oorlog.
Een paar jaar later stuurde de luchtmacht Fredkin naar het MIT Lincoln Laboratory om te helpen bij het testen van het ontluikende SAGE-luchtverdedigingssysteem. Hij leerde computerprogrammeren en werd al snel een van de beste programmeurs ter wereld - een groep die op dat moment waarschijnlijk slechts ongeveer 500 telde.
Toen hij in 1958 de luchtmacht verliet, werkte Fredkin bij Bolt, Beranek en Newman (BBN), die hij overtuigde om de eerste twee computers te kopen en waar hij de MIT-professoren Marvin Minsky en John McCarthy leerde kennen, die samen zo'n beetje het gebied van kunstmatige intelligentie. In 1962 vergezelde hij hen naar Caltech, waar McCarthy een lezing hield. Daar ontmoetten Minsky en Fredkin Richard Feynman ’39, die in 1965 de Nobelprijs voor de natuurkunde zou winnen voor zijn werk aan kwantumelektrodynamica. Feynman toonde hen een handgeschreven notitieboekje vol met berekeningen en daagde hen uit om software te ontwikkelen die symbolische wiskundige berekeningen kon uitvoeren.
Fredkin verliet BBN in 1962 en begon Information International Incorporated, een van 's werelds eerste AI-startups. Toen Triple-I in 1968 naar de beurs ging en Fredkin miljonair werd, rekruteerde Minsky hem als associate director van zijn AI Lab aan het MIT. Drie jaar later werd Fredkin directeur van Project MAC, de stamvader van MIT's Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). MIT maakte hem tot hoogleraar, ondanks zijn gebrek aan academische referenties. Maar Fredkin was dat ook al snel beu, dus in 1974 ging hij terug naar Caltech om een jaar bij Feynman door te brengen. De afspraak was dat Fredkin Feynman computergebruik zou leren en Feynman Fredkin kwantumfysica zou leren.
Fredkin begon de kwantumfysica te begrijpen, maar hij geloofde het niet. Hij dacht dat het weefsel van de werkelijkheid niet kon worden gebaseerd op iets dat door een continue meting kon worden beschreven. De kwantummechanica stelt dat grootheden zoals lading en massa gekwantiseerd zijn - bestaande uit discrete, telbare eenheden die niet kunnen worden onderverdeeld - maar dat zaken als ruimte, tijd en golfvergelijkingen fundamenteel continu zijn. Fredkin daarentegen geloofde (en gelooft nog steeds) met bijna religieuze overtuiging dat ruimte en tijd ook gekwantiseerd moeten worden, en dat de fundamentele bouwsteen van de werkelijkheid dus berekening is. De werkelijkheid moet een computer zijn! In 1978 doceerde Fredkin een afstudeercursus aan het MIT, Digital Physics genaamd, die manieren verkende om de moderne natuurkunde te herwerken volgens dergelijke digitale principes.
Feynman bleef er echter niet van overtuigd dat er zinvolle verbanden waren tussen informatica en natuurkunde die verder gingen dan het gebruik van computers om algoritmen te berekenen. Dus toen Fredkin zijn vriend vroeg om de keynote-toespraak op de conferentie van 1981 te houden, weigerde hij aanvankelijk. Toen hem echter werd beloofd dat hij kon praten over wat hij maar wilde, veranderde Feynman van gedachten - en legde zijn ideeën voor hoe de twee velden met elkaar te verbinden uiteen in een gedetailleerde lezing die een manier voorstelde om berekeningen uit te voeren met behulp van kwantumeffecten zelf.
Feynman was er aanvankelijk niet van overtuigd dat er betekenisvolle verbanden waren tussen informatica en natuurkunde.
Feynman legde uit dat computers slecht zijn uitgerust om de uitkomst van experimenten in de deeltjesfysica te simuleren en daardoor te voorspellen - iets dat vandaag nog steeds waar is. Moderne computers zijn immers deterministisch: geef ze hetzelfde probleem en ze komen met dezelfde oplossing. Natuurkunde daarentegen is probabilistisch. Dus naarmate het aantal deeltjes in een simulatie toeneemt, duurt het exponentieel langer om de nodige berekeningen op mogelijke outputs uit te voeren. De manier om vooruit te komen, beweerde Feynman, was om een computer te bouwen die zijn probabilistische berekeningen uitvoerde met behulp van kwantummechanica.
Feynman had geen formeel document voor de conferentie voorbereid, maar met de hulp van Norm Margolus, PhD '87, een afgestudeerde student in de groep van Fredkin die opnam en uitschreef wat hij daar zei, werd zijn toespraak gepubliceerd in het International Journal of Theoretical Physics onder de titel Simulating Physics with Computers. Dit, samen met Fredkins artikel Conservative Logic, co-auteur met MIT-onderzoeker Tommaso Toffoli (en gedeeltelijk gebaseerd op een scriptie over Digital Physics geschreven door William Silver '75, SM '80), vormde de basis van het ontluikende veld.
In 1983 vonden Bennett en Gilles Brassard, een professor aan de Universiteit van Montreal, uit wat nu kwantumcryptografie wordt genoemd - een manier om kwantummechanica te gebruiken om informatie te verzenden en afluisteren te voorkomen. Feynman ging ondertussen door met het ontwikkelen van zijn idee, zoals uitgelegd in een lezing getiteld Tiny Computers Obeying Quantum Mechanical Laws die hij gaf in zowel Los Alamos National Laboratory als een conferentie over optica in 1984.
Toch zouden kwantumcomputers waarschijnlijk een intellectueel speeltje zijn gebleven, ware het niet dat Peter Williston Shor, PhD '85, in 1994 met een benadering kwam die een van Feynmans nog niet gebouwde kwantumcomputers en een slimme getaltheorie zou kunnen gebruiken om snel een groot aantal in rekening brengen. Dit trok de interesse van regeringen en bedrijven, aangezien de veiligheid van bijna alle moderne cryptografische systemen afhangt van het feit dat het gemakkelijk is om twee zeer grote priemgetallen met elkaar te vermenigvuldigen, maar buitengewoon moeilijk om het product terug te splitsen in zijn priemfactoren. Met het algoritme van Shor (zoals het nu wordt genoemd) en een kwantumcomputer die groot genoeg is om het op te laten draaien, zou die taak eenvoudig worden, en de meeste vertrouwelijke gegevens van de wereld die over ether en internet gaan, kunnen gemakkelijk worden gedecodeerd zodra ze zijn onderschept.
Naast het voortbrengen van de baanbrekende kranten in het veld, leverde de conferentie van 1981 ook een foto op van enkele van de grootste denkers op het gebied van informatica en natuurkunde die in 1981 leefden. Genomen op het gazon van Endicott House, bevat de foto Feynman en Fredkin; Freeman Dyson, een van de meest getalenteerde natuurkundigen van de 20e eeuw; Konrad Zuse, de Duitse ingenieur die in 1941 's werelds eerste volledig programmeerbare automatische digitale computer had gebouwd; Hans Moravec, die net een robot had gebouwd die op zicht kon navigeren; Danny Hillis ’78, SM ’81, PhD ’88, die Thinking Machines oprichtte en Feynman inhuurde als zijn eerste werknemer; en vele anderen die nu bekende namen zijn (althans in de huishoudens van computerwetenschappers en natuurkundigen). Het doet denken aan de beroemde foto uit 1927 van de vijfde Solvay-conferentie over elektronen en fotonen waarop Albert Einstein, Niels Bohr, Pauli, Heisenberg en andere leidende figuren uit het ontluikende veld van de kwantummechanica te zien zijn.
Helaas staat Charlie Bennett niet op de foto: hij is de persoon die de foto maakte.
Physics of Computation Conference, Endicott House, MIT, 6-8 mei 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 met dank aan Charles Bennett)
Noot van de redactie: Simson Garfinkel ontdekte dit verhaal tijdens het onderzoeken van zijn boek Wet en beleid voor het kwantumtijdperk , co-auteur met Chris Hoofnagle (verwacht van Cambridge University Press).