Birçok kişi hala onun temel iddiasına karşı çıkıyor: Fizik yasalarının ve hatta Evrenin yasalarının özünde bir bilgisayar algoritmasının sonucu olduğu. Ancak Fredkin’in savunduğu ‘dijital fizik’, sınırların ötesinde olmaktan neredeyse ana akıma dönüştü. “O zamanlar hesaplama biliminin size fizik hakkında her şeyi öğretebileceği fikri tamamen çılgınca bir fikir olarak görülüyordu,” diyor Fredkin’in uzun süreli işbirlikçisi ve tek fizik doktora öğrencisi olan Kanadalı bilgisayar bilimcisi Norman Margolus. “Dünya o zamandan beri gelişti, artık her şey çok saygın.”

Parçacık, dalga, her ikisi veya hiçbiri? Gerçeklik hakkında bildiğimiz her şeyi sorgulayan deney

Pasadena’daki California Teknoloji Enstitüsü’nden (Caltech) birinci sınıftan sonra ayrılan Fredkin, 1953’te ABD Hava Kuvvetleri’ne katıldı, bir savaş pilotu oldu ve sonunda sıkı formasyon jet pilotlarının seçkin birliğinin eğitmeni oldu. Hava Kuvvetleri onu bilgisayar bilimine yönlendirdi ve 1956’da pilotları yönlendirmek için radar bilgilerini işlemek üzere bilgisayarları kullanma konusunda çalışmak üzere onu Lexington’daki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nün (MIT) Lincoln Laboratuvarı’na gönderdi. 1958’de Hava Kuvvetleri’nden ayrılan Fredkin, şu anda Raytheon’un bir parçası olan Cambridge, Massachusetts merkezli öncü bilgisayar şirketi Bolt Beranek & Newman’a katıldı ve diğer projelerinin yanı sıra erken bir montaj dili yazdı ve yapay zeka (YZ) araştırmalarına katıldı. Görüntüleme donanımı ve yazılımı konusunda uzmanlaşmış kendi şirketi Information International’ı kurduktan sonra, lisans derecesi bile olmamasına rağmen 1968’de tam profesör olarak MIT’ye geri döndü.

Fredkin, MIT’nin Bilgisayar Bilimi Laboratuvarı’na dönüşen bir araştırma enstitüsü olan Project MAC’i yönetti. Pozisyon, geniş bir portföyün sadece bir parçasıydı. Şu anda MIT’ye bağlı bağımsız bir araştırmacı olan Margolus, “Gerçek dünyada birçok şey yaptı,” diyor. Bunlar arasında şirketini yönetmek, bir tuzdan arındırma şirketi için ters ozmoz sistemi tasarlamak ve Boston, Massachusetts’teki ABC iştiraki New England Television’ı yönetmek vardı. Margolus, haftada bir gün dış aktivitelerle sınırlı olan Fredkin’in bazen haftalarca görülmediğini söylüyor.

İleri görüşlülük

1960’ların sonlarında, AI hala büyük ölçüde teorik bir kavramdı, ancak Fredkin, ulusal güvenlik de dahil olmak üzere öğrenme ve otonom karar alma yeteneğine sahip makinelerin ortaya koyduğu politika zorluklarını erken kavradı. AI araştırmalarında uluslararası iş birliğini savundu ve teknolojinin nasıl kullanılması gerektiği konusunda erken bir fikir birliğinin ilerideki sorunları önleyeceğini kabul etti. Ancak, alandaki en iyi düşünürlerin uluslararası bir toplantısını düzenleme girişimleri hiçbir zaman tam olarak gerçekleşmedi – bu başarısızlık günümüze kadar yankı buldu.

1974’te Fredkin MIT’den ayrıldı ve Caltech’te seçkin bir akademisyen olarak bir yıl geçirdi ve burada fizikçiler Richard Feynman ve Stephen Hawking ile arkadaş oldu. Daha sonra Pittsburgh, Pennsylvania’daki Carnegie Mellon Üniversitesi’nde kadrolu öğretim görevlisi pozisyonunu ve daha sonra Boston Üniversitesi’nde ikinci bir pozisyonu kabul etti. O zamandan itibaren geri dönüşümlü hesaplama üzerinde çalışmaya başladı.

O zamanlar, tersine çevrilebilir hesaplama yaygın olarak imkansız kabul ediliyordu. Geleneksel bir dijital bilgisayar, genellikle iki girdinin bir çıktı haline geldiği bir dizi mantık kapısından (AND’ler, OR’lar, XOR’lar vb.) oluşur. Giriş bilgisi silinir, ısı üretilir ve işlem tersine çevrilemez. Margolus ve genç bir İtalyan elektrik mühendisi olan Tommaso Toffoli ile birlikte Fredkin, üç girişi ve üç çıkışı olan belirli kapıların (Fredkin ve Toffoli kapıları olarak bilinen) herhangi bir olası hesaplamanın tüm ara adımlarının korunabileceği şekilde düzenlenebileceğini ve işlemin tamamlandığında tersine çevrilebileceğini gösterdi. 1982’de çığır açan bir makalede ortaya koydukları gibi, bu kapılarla inşa edilen bir bilgisayar en azından teorik olarak atık ısı üretmeyebilir ve dolayısıyla enerji tüketmeyebilir ¹ .

Bu başlangıçta sadece bir meraktan ibaret görünüyordu. Fredkin, konseptin daha az israf edilen ısıyla daha verimli bilgisayarların geliştirilmesine yardımcı olabileceğini düşündü ancak fikri klasik bilgisayarları kullanarak tam olarak gerçekleştirmenin pratik bir yolu yoktu. Ancak 1981’de Fredkin ve Toffoli’nin MIT’de Hesaplama Fiziği Sempozyumu’nu düzenlemesiyle tarih yeni bir yöne doğru ilerledi. Feynman da orada bulunan önemli isimler arasındaydı. Artık ünlü olan bir katkısında, kuantum fenomenlerini geleneksel dijital bilgisayarlarla simüle etmeye çalışmaktan ziyade, kuantum davranışı gösteren bazı fiziksel sistemlerin daha iyi araçlar olabileceğini öne sürdü.

Bu konuşma, kuantum mekaniğinin tüm gücünden yararlanarak belirli sorunları — Feynman’ın ele aldığı kuantum simülasyonu sorunu gibi — herhangi bir klasik bilgisayardan çok daha hızlı çözen kuantum bilgisayarlarının çağını başlattığı şeklinde yaygın olarak görülüyor. Kırk yıl sonra, küçük kuantum bilgisayarlar artık geliştirilme aşamasında. Çalışmaları için gereken elektronikler, lazerler ve soğutma sistemleri çok fazla güç tüketiyor, ancak kuantum mantıksal işlemlerin kendisi oldukça kayıpsız.

Dijital fizik

^{MIT’de makine mühendisi olarak çalışan ve 1993 yılında kuantum bilgisayarları} için ilk gerçekleştirilebilir konsept olarak kabul edilen şeyi geliştiren Seth Lloyd, “geri dönüşümlü hesaplama, kuantum bilgisayarlarını kavrayabilmek için gerçekten de olmazsa olmaz bir ön koşuldu” diyor. IBM fizikçisi Charles Bennett de geri dönüşümlü hesaplama modelleri üretmiş olsa da Lloyd, Fredkin, Toffoli ve Margolus tarafından tanımlanan sıfır dağılımlı versiyonların kuantum hesaplamalarının üzerine inşa edildiği modeller haline geldiğini ekliyor.

Fredkin ve Toffoli, 1982 tarihli makalelerinde, tersinir hesaplama üzerine çalışmalarını oldukça farklı bir yönde geliştirmeye başlamışlardı. Görünüşte anlamsız bir benzetmeyle başladı: bir bilardo masası. Matematiksel hesaplamaların, sürtünmesiz bir masa ve sürtünmesiz etkileşimde bulunan toplar varsayarak, tamamen tersinir bilardo topu etkileşimleriyle nasıl temsil edilebileceğini gösterdiler.

Tersinir kavramın bu fiziksel tezahürü, Toffoli’nin hesaplamalı kavramların, geleneksel olarak hareket ve değişimi tanımlamak için kullanılan diferansiyel denklemlerden daha iyi bir şekilde fiziği kapsayabileceği fikrinden doğmuştur. Fredkin, işleri daha da ileri götürerek, tüm Evrenin aslında bir tür bilgisayar olarak görülebileceği sonucuna varmıştır. Ona göre, bu bir ‘hücresel otomasyon’du: Çevrelerindeki hücrelerin durumlarına göre belirlenen tanımlanmış bir dizi kurala göre durumları değiştirebilen bir hesaplama bitleri veya hücreler koleksiyonu. Zamanla, bu basit kurallar kozmosun tüm karmaşıklıklarına -hatta yaşama- yol açabilir.

Bu tür fikirlerle oynayan ilk kişi o değildi. İkinci Dünya Savaşı’ndan önce ilk programlanabilir bilgisayarlardan birini geliştiren Alman inşaat mühendisi Konrad Zuse, 1969 tarihli Calculating Space adlı kitabında Evren’in klasik bir dijital hücresel otomat olarak görülebileceğini öne sürdü. Fredkin ve ortakları, basit hesaplama kurallarının alt atom parçacıkları ve kuvvetlerle ilişkili tüm fenomenleri nasıl üretebileceğine dair örnekler aramak için yıllar harcayarak bu kavramı yoğun bir şekilde geliştirdiler ³ .

Herkes etkilenmemişti. Margolus, o zamanlar MIT’de öğretim görevlisi olan ünlü fizikçi Philip Morrison’ın Fredkin’in öğrencilerine Fredkin’in bir bilgisayar bilimcisi olduğunu, bu yüzden dünyanın büyük bir bilgisayar olduğunu düşündüğünü, ancak bir peynir tüccarı olsaydı dünyanın büyük bir peynir olduğunu düşüneceğini söylediğini aktarıyor. İngiliz bilgisayar bilimcisi Stephen Wolfram 2002 tarihli A New Kind of Science adlı kitabında benzer fikirler öne sürdüğünde Fredkin, “Wolfram bu şeylere inanan ilk önemli kişidir. Çok yalnızdım.” diyerek tepki göstermişti.

Gerçekte, Wolfram fikirleri araştıran tek kişi değildi. Fredkin’in kendisi başlangıçta ‘dijital fizik’ ve daha sonra ‘dijital felsefe’ ​​ifadelerini kullanırken, temanın modern varyasyonları ‘pancomputationalism’ ve ‘digitalism’ gibi terimler kullandı. Bunlar, Hollandalı fizik Nobel ödüllü Gerard ‘t Hooft ve hipotezin özlü bir ifadesi olan ünlü “it from bit” sözüyle bilinen ABD’li fizikçi John Wheeler gibi araştırmacılar tarafından benimsendi.

Kuantum alemine doğru

Margolus da dahil olmak üzere bazıları teorinin klasik versiyonunu geliştirmeye devam etti. Diğerleri, klasik bir hesaplama modelinin gözlemlediğimiz evrenin karmaşıklıklarından sorumlu olamayacağı sonucuna vardı. Lloyd’a göre, Fredkin’in orijinal dijital evren teorisi “klasik bir dijital evrenin kuantum mekaniksel fenomenleri kavrayabilmesine yönelik çok ciddi engeller” içeriyor. Ancak Fredkin’in dijital fiziğinin klasik hesaplama kurallarını kuantum kurallarıyla değiştirin ve bu sorunların çoğu ortadan kalkar. Klasik fikirler üzerine inşa edilmiş bir teorinin yapamayacağı şekilde, uzayda ayrılmış iki kuantum durumu arasındaki dolanıklık gibi bir kuantum Evreninin içsel özelliklerini yakalayabilirsiniz.

Lloyd bu fikri 1990’larda başlayan bir dizi makalede ve 2006’da yayınlanan Evreni Programlama adlı kitapta savundu . Kuantum hesaplama kurallarının bilinen fizik yasalarını nasıl açıklayabileceğine dair kapsamlı bir açıklamayla sonuçlandı – temel parçacık teorisi, parçacık fiziğinin standart modeli ve hatta belki de temel fiziğin kutsal kasesi: yerçekiminin kuantum teorisi ⁴ .

Bu tür öneriler, aralarında İngiltere’deki Oxford Üniversitesi’nden İsveçli filozof Nick Bostrom’un da bulunduğu daha yakın tarihli bir fikir olan, bir bilgisayar simülasyonunda yaşadığımız fikrinden çok farklıdır ⁵ . Dijital Evren, hesaplamalı evrenin temel başlangıç ​​koşullarının ve kurallarının, tıpkı geleneksel fiziğin parçacıkları ve kuvvetlerinin Büyük Patlama ve sonrasında doğal olarak ortaya çıkması gibi, doğal olarak ortaya çıktığını varsayarken, simülasyon hipotezi, Evren’in bazı son derece gelişmiş zeki uzaylı programcılar tarafından, belki de bir tür büyük deney veya hatta bir tür oyun olarak kasıtlı olarak inşa edildiğini varsayar – Lloyd’un görüşüne göre, mantıksız bir şekilde dahil olan bir çaba.

Dijital bir Evren’in temel fikri test edilebilir olabilir. Kozmosun minik Planck ölçeğindeki bir veri bitleri sistemi tarafından üretilmiş olması için – şu anki fizik teorilerinin çökmesi beklenen bir ölçek – uzay ve zamanın ayrı, nicelikli varlıklardan oluşması gerekir. Böylesine granüler bir uzay-zamanın etkisi, örneğin çeşitli frekanslardaki ışığın milyarlarca ışık yılı boyunca yayılmasının ne kadar sürdüğü gibi küçük farklılıklarda ortaya çıkabilir. Ancak fikri gerçekten belirlemek, muhtemelen Einstein’ın genel görelilik teorisinin makro ölçekteki etkileri ile mikro ölçekteki kuantum etkileri arasındaki ilişkiyi kuran bir kuantum kütleçekim teorisini gerektirir. Bu şimdiye kadar teorisyenlerin elinden kaçtı. Burada, dijital evren kendi kendine yardım edebilir. Lloyd, kütleçekim kuantum teorilerine doğru tercih edilen yolların giderek daha hesaplamalı bir yapıya sahip olduğunu söylüyor – örneğin, dünyamızın daha düşük boyutlu bir gerçekliğin yansıması olduğunu öne süren ‘t Hooft tarafından ortaya atılan holografik ilke. Lloyd, “Kuantum dijital evren fikirlerinin bu gizemlerin bazılarını aydınlatabileceği umut verici görünüyor” diyor.

Bu, alışılmadık bir hikayedeki son gelişme olurdu. Fredkin’in kendisi, fizikte tipik bir eğitim almamasının, kısmen, konuya ilişkin kendine özgü görüşlerine ulaşmasını sağlayan şey olduğunu düşünüyordu. Lloyd da buna katılma eğiliminde. “Bence daha geleneksel bir eğitim almış olsaydı, rütbelerde yükselmiş olsaydı ve standart fizik dersleri almış olsaydı, vb., belki daha az ilgi çekici işler yapardı.”