Il computer di domani, ieri

Quasi 50 fisici e informatici si sono riuniti per la storica conferenza del 1981 a Endicott House. (Scorri verso il basso per vedere i loro nomi.) CHARLIE BENNETT / IBM

Il Quantum Computing come lo conosciamo ha avuto inizio 40 anni fa questa primavera alla prima Physics of Computation Conference, organizzata presso la Endicott House del MIT da MIT e IBM e alla quale hanno partecipato quasi 50 ricercatori di informatica e fisica, due gruppi che raramente si sono incontrati.

Vent'anni prima, nel 1961, un ricercatore IBM di nome Rolf Landauer aveva trovato un legame fondamentale tra i due campi: dimostrò che ogni volta che un computer cancella un po' di informazione, si produce un piccolissimo calore, corrispondente all'aumento di entropia di il sistema. Nel 1972 Landauer assunse l'informatico teorico Charlie Bennett, il quale dimostrò che l'aumento dell'entropia può essere evitato da un computer che esegue i suoi calcoli in modo reversibile. Curiosamente, Ed Fredkin, il professore del MIT che ha cosponsorizzato la Conferenza Endicott con Landauer, era arrivato a questa stessa conclusione in modo indipendente, nonostante non avesse mai conseguito nemmeno una laurea. In effetti, la maggior parte delle rivisitazioni della storia dell'origine dell'informatica quantistica trascura il ruolo fondamentale di Fredkin.

L'insolita carriera di Fredkin iniziò quando si iscrisse al California Institute of Technology nel 1951. Sebbene brillante agli esami di ammissione, non era interessato ai compiti e doveva fare due lavori per pagare le tasse scolastiche. Andando male a scuola e senza soldi, si ritirò nel 1952 e si arruolò nell'Air Force per evitare di essere arruolato per la guerra di Corea.

Alcuni anni dopo, l'Air Force inviò Fredkin al MIT Lincoln Laboratory per aiutare a testare il nascente sistema di difesa aerea SAGE. Ha imparato la programmazione per computer e presto è diventato uno dei migliori programmatori del mondo, un gruppo che probabilmente contava solo circa 500 all'epoca.

Dopo aver lasciato l'Air Force nel 1958, Fredkin lavorò presso Bolt, Beranek e Newman (BBN), che convinse ad acquistare i suoi primi due computer e dove conobbe i professori del MIT Marvin Minsky e John McCarthy, che insieme avevano praticamente stabilito campo dell'intelligenza artificiale. Nel 1962 li accompagnò al Caltech, dove McCarthy teneva un discorso. Lì Minsky e Fredkin incontrarono Richard Feynman '39, che avrebbe vinto il Premio Nobel per la fisica nel 1965 per il suo lavoro sull'elettrodinamica quantistica. Feynman mostrò loro un taccuino scritto a mano pieno di calcoli e li sfidò a sviluppare un software in grado di eseguire calcoli matematici simbolici.

Fredkin lasciò la BBN nel 1962 e fondò la Information International Incorporated, una delle prime startup di intelligenza artificiale al mondo. Quando Triple-I divenne pubblico nel 1968 e Fredkin divenne milionario, Minsky lo reclutò per diventare il direttore associato del suo laboratorio di intelligenza artificiale al MIT. Tre anni dopo Fredkin divenne direttore del Project MAC, il capostipite del Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) del MIT. Il MIT lo ha nominato professore ordinario, nonostante la sua mancanza di credenziali accademiche. Ma Fredkin presto si stancò anche di quello, così nel 1974 tornò al Caltech per trascorrere un anno con Feynman. L'accordo era che Fredkin avrebbe insegnato informatica a Feynman e Feynman avrebbe insegnato a Fredkin la fisica quantistica.

Fredkin arrivò a capire la fisica quantistica, ma non ci credeva. Pensava che il tessuto della realtà non potesse essere basato su qualcosa che potesse essere descritto da una misurazione continua. La meccanica quantistica sostiene che quantità come carica e massa sono quantizzate, costituite da unità discrete e numerabili che non possono essere suddivise, ma che cose come lo spazio, il tempo e le equazioni d'onda sono fondamentalmente continue. Fredkin, al contrario, credeva (e crede ancora) con convinzione quasi religiosa che anche lo spazio e il tempo debbano essere quantizzati, e che l'elemento fondamentale della realtà sia quindi il calcolo. La realtà deve essere un computer! Nel 1978 Fredkin ha tenuto un corso di laurea al MIT chiamato Digital Physics, che ha esplorato i modi di rielaborare la fisica moderna lungo tali principi digitali.

Feynman, tuttavia, non era convinto che esistessero connessioni significative tra informatica e fisica oltre all'uso dei computer per calcolare gli algoritmi. Quindi, quando Fredkin chiese al suo amico di tenere il discorso programmatico alla conferenza del 1981, inizialmente rifiutò. Quando gli è stato promesso che avrebbe potuto parlare di qualsiasi cosa volesse, però, Feynman ha cambiato idea e ha esposto le sue idee su come collegare i due campi in un discorso dettagliato che ha proposto un modo per eseguire calcoli usando gli effetti quantistici stessi.

Feynman all'inizio non era convinto che esistessero connessioni significative tra informatica e fisica.

Feynman ha spiegato che i computer sono scarsamente attrezzati per aiutare a simulare, e quindi prevedere, il risultato degli esperimenti di fisica delle particelle, qualcosa che è ancora vero oggi. I computer moderni, dopotutto, sono deterministici: dai loro lo stesso problema e loro trovano la stessa soluzione. La fisica, invece, è probabilistica. Quindi, all'aumentare del numero di particelle in una simulazione, ci vuole esponenzialmente più tempo per eseguire i calcoli necessari su possibili output. Il modo per andare avanti, ha affermato Feynman, era costruire un computer che eseguisse i suoi calcoli probabilistici usando la meccanica quantistica.

Feynman non aveva preparato un documento formale per la conferenza, ma con l'aiuto di Norm Margolus, PhD '87, uno studente laureato nel gruppo di Fredkin che ha registrato e trascritto ciò che ha detto lì, il suo discorso è stato pubblicato sull'International Journal of Theoretical Physics sotto il titolo Simulazione di fisica con i computer. Questo, insieme all'articolo di Fredkin Conservative Logic, coautore con il ricercatore del MIT Tommaso Toffoli (e basato in parte su un termine di fisica digitale scritto da William Silver '75, SM '80), ha costituito la base del campo nascente.

Nel 1983, Bennett e Gilles Brassard, un professore all'Università di Montreal, inventarono quella che oggi viene chiamata crittografia quantistica, un modo per utilizzare la meccanica quantistica per inviare informazioni prevenendo le intercettazioni. Feynman, nel frattempo, ha continuato a sviluppare la sua idea, come spiegato in un discorso intitolato Tiny Computers Obeying Quantum Mechanical Laws che ha tenuto sia al Los Alamos National Laboratory che a una conferenza del 1984 sull'ottica.

Tuttavia, i computer quantistici sarebbero probabilmente rimasti un giocattolo intellettuale se non fosse stato per Peter Williston Shor, PhD '85, che nel 1994 ha escogitato un approccio che potrebbe utilizzare uno dei computer quantistici di Feynman non ancora costruiti e qualche intelligente teoria dei numeri per fattorizzare rapidamente un numero elevato. Ciò ha suscitato l'interesse di governi e società, poiché la sicurezza di quasi tutti i moderni sistemi crittografici dipende dal fatto che è facile moltiplicare insieme due numeri primi molto grandi, ma è straordinariamente difficile scomporre il prodotto nei suoi fattori primi. Con l'algoritmo di Shor (come viene chiamato ora) e un computer quantistico abbastanza grande su cui eseguirlo, quel compito diventerebbe semplice e la maggior parte dei dati riservati del mondo che si spostano sulle onde radio e su Internet potrebbero essere prontamente decifrati una volta intercettati.

Oltre a generare i documenti seminali sul campo, la conferenza del 1981 ha anche prodotto una foto di alcuni dei più grandi pensatori dell'informatica e della fisica vivi nel 1981. Scattata sul prato di Endicott House, la foto include Feynman e Fredkin; Freeman Dyson, uno dei fisici più talentuosi del 20° secolo; Konrad Zuse, l'ingegnere tedesco che nel 1941 aveva costruito il primo computer digitale automatico completamente programmabile al mondo; Hans Moravec, che aveva appena costruito un robot in grado di navigare a vista; Danny Hillis '78, SM '81, PhD '88, che ha poi fondato Thinking Machines e ha assunto Feynman come primo dipendente; e molti altri che ora sono nomi familiari (almeno nelle famiglie di informatici e fisici). Ricorda la famosa fotografia del 1927 della Quinta Conferenza Solvay su elettroni e fotoni che mostra Albert Einstein, Niels Bohr, Pauli, Heisenberg e altre figure di spicco del nascente campo della meccanica quantistica.

Ahimè, Charlie Bennett non è nella foto: è la persona che ha scattato la foto.

Conferenza sulla fisica del calcolo, Endicott House, MIT, 6–8 maggio 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 per gentile concessione di Charles Bennett)

Nota del redattore: Simson Garfinkel ha scoperto questa storia mentre faceva ricerche sul suo libro Legge e politica per l'era quantistica , coautore con Chris Hoofnagle (di prossima pubblicazione da Cambridge University Press).

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