R. P. Feynman : το τρομερό παιδί της φυσικής και η επιστήμη των υπολογιστών

Υπήρξε ο αδιαμφισβήτητος σταρ της φυσικής. Ο φυσικός που συνδύασε με μοναδικό και αξεπέραστο τρόπο την πρωτοποριακή έρευνα με την απαράμιλη διδασκαλία που άφησε εποχή στα πανεπιστημιακά αμφιθέατρα. Αν σε αυτά προσθέσετε και την διαβόητη μποέμ ζωή τότε καταλαβαίνετε γιατί μιλάμε για έναν πραγματικό «ρόκερ» της επιστήμης. Ο Feynman είναι ιδιαίτερα γνωστός στο ελληνικό κοινό αφού τις τελευταίες δεκαετίες έχουν μεταφραστεί πολλά από τα βιβλία του.

Ανάμεσα σε αυτά και το βιβλίο με τίτλο «Διαλέξεις για τους Υπολογιστές» (ναι όσο και αν σας φαίνεται παράξενο υπάρχουν και τέτοιες διαλέξεις του Feynman) από τις εκδόσεις LeaderBooks(Αθήνα 2006). Σε αυτές τις διαλέξεις ο Feynman δίνει, αφενός, τη δική του, μοναδική, άποψη για όλα τα θέματα που αφορούν στα θεμέλια των υπολογιστών και αφετέρου ανοίγει σημαντικούς δρόμους για την εξέλιξη των υπολογιστών πολύ πέρα από τη εικόνα και αντίληψη που έχουμε σήμερα γι’ αυτούς.
Ο Richard P. Feynman γεννήθηκε στο Far Rockaway της Νέας Υόρκης το 1918. Πήρε το πτυχίο στη φυσική το 1939 από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ) και το διδακτορικό του δίπλωμα από το Πανεπιστήμιο του Princeton το 1942. Σε νεαρή ηλικία έλαβε μέρος στο Πρόγραμμα Manhattan που αφορούσε στην κατασκευή της ατομικής βόμβας στη διάρκεια του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου. Δίδαξε στα Πανεπιστήμια Cornell και California Institute of Technology (Caltech). Το 1965 έλαβε το βραβείο Νόμπελ, μαζί με τους Sin-Itiro Tomonaga και Joulian Schwinger, για την εργασία του στην κβαντική ηλεκτροδυναμική. Διατύπωσε επίσης μια μαθηματική θεωρία η οποία εξηγούσε το φαινόμενο της ιδανικής ρευστότητας του υγρού ηλίου. Στη συνέχεια, μαζί με τον Murray Gell-Mann, επιτέλεσε θεμελιώδες έργο στον τομέα των ασθενών αλληλεπιδράσεων, όπως η διάσπαση βήτα. Εκτός από τα παραπάνω επιτεύγματα, ο Feynman εισήγαγε εντελώς νέες υπολογιστικές τεχνικές με σημαντικότερες τα πασίγνωστα πλέον διαγράμματα Feynman, τα οποία – ίσως περισσότερο από κάθε άλλο φορμαλισμό στη νεότερη επιστήμη – άλλαξαν τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε τις θεμελιώδεις φυσικές διαδικασίες και υπολογίζουμε τα φυσικά μεγέθη που τις χαρακτηρίζουν.
Ο Feynman υπήρξε ένας εξαίρετος δάσκαλος και γι’ αυτό τιμήθηκε με το Μετάλλιο Διδασκαλίας Oersted το 1972. Λάτρης των κρουστών, της ζωγραφικής και του χορού. Ασχολήθηκε με τις επισκευές ραδιοφώνων, την παραβίαση κλειδαριών και την αποκρυπτογράφηση της ιερογλυφικής γραφής των Μάγια. Στη δεκαετία του ’80 μετείχε στην επιτροπή διερεύνησης των αιτίων της πτώσης του διαστημικού λεωφορείου Challenger. Το ενδιαφέρον του Feynman για τους υπολογιστές χρονολογείται από τα χρόνια του Σχεδίου Μανχάταν και τον σχεδιασμό της βόμβας πλουτωνίου. Στο «Λος Aλάμος εκ των ένδον» το οποίο έχει δημοσιευτεί στο βιβλίο «Σίγουρα θα αστειεύεστε κ. Φάινμαν», ο μεγάλος φυσικός διηγήθηκε πως τοποθετήθηκε υπεύθυνος της «Ομάδας ΙΒΜ» για τον υπολογισμό της ενέργειας που εκλύεται κατά την διάρκεια της έκρηξης. Ακόμη και τότε, αρκετά πριν από την έλευση ενός πραγματικού υπολογιστή, ο Feynman και η ομάδα του ανέπτυξαν τρόπους για να κάνουν παράλληλους υπολογισμούς για την λειτουργία και απόδοση της βόμβας.

ΠΡΟΦΗΤΗΣ ΜΙΑΣ ΝΕΑΣ ΕΠΟΧΗΣ 

Σε μια ιστορική ομιλία του με τίτλο There’s Plenty of Room at the Bottom, στο Ετήσιο Συνέδριο της American Physical Society στις 29 Δεκεμβρίου του 1959, στο Caltech, ο Feynman αναδεικνύεται σε προφήτη μιας επανάστασης στο χώρο της τεχνολογίας η οποία σήμερα βρίσκεται σε πλήρη εξέλιξη. H ομιλία αυτή δημοσιεύτηκε, για πρώτη φορά, στο τεύχος του Φεβρουαρίου του 1960 του περιοδικού Engineering and Science του ίδιου πανεπιστημίου. Το ελληνικό κοινό μπορεί να την απολαύσει από το βιβλίο του Feynman «Η Χαρά της Ανακάλυψης» των εκδόσεων «ΚΑΤΟΠΤΡΟ» (Αθήνα 2006).
Σε αυτή την ομιλία ο Feynman θα θέσει τις βάσεις και την φυσική νομιμοποίηση της νανοτεχνολογίας. Μίλησε, σαράντα χρόνια πριν, για την δυνατότητα να γράψουμε μια ολόκληρη εγκυκλοπαίδεια, όπως η Brittanica, πάνω στο κεφάλι μιας καρφίτσας, και θεμελίωσε θεωρητικά τη δυνατότητα κατασκευής νανομηχανών. Στην ίδια ομιλία θα βρούμε μια εκτενή και ενδελεχή αναφορά στη δυνατότητα της δραστικής μείωσης του όγκου των υπολογιστών και της συρρίκνωσής του στο επίπεδο λίγων ατόμων!
Όμως το ζήτημα δεν ήταν απλά ποσοτικό. Δεν ήταν δηλαδή μια απλή αναγωγή μεγέθους. Αντίθετα, άνοιγε ο δρόμος για επαναστατικές εξελίξεις και ριζικές μεταβολές. Ως επιστήμονας μεγάλης στόφας, ο Feynman, προέβλεψε πολύ εύστοχα την φορά των εξελίξεων ξεκινώντας από την εφαρμογή των υπολογιστών στην πράξη. Εάν οι υπολογιστές πρέπει συνεχώς να γίνονται ταχύτεροι και μικρότεροι σε μέγεθος, σύντομα θα φθάσουμε σε ένα σημείο όπου ακόμη και οι λογικές πύλες και τα άλλα βασικά εξαρτήματα θα έχουν το μέγεθος μερικών ατόμων. Εκεί όμως βρίσκεται το βασίλειο της κβαντικής φυσικής της οποίας οι νόμοι διαφέρουν ριζικά από αυτούς της κλασικής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την πλήρη ανατροπή της αντίληψης που έχουμε για την λειτουργία των υπολογιστών. Με την ομιλία αυτή, καθώς και με τις διαλέξεις του από το 1983 έως το 1986, στο CalTech, ο Feynman συνέγραψε, κατά κάποιον τρόπο, την «ουβερτούρα» μιας νέας εποχής, αυτής των κβαντικών υπολογιστών.

ΜΙΑ ΝΕΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΛΟΓΙΚΗ

Για να εξηγήσουμε τι είναι αυτό που κάνει τους κβαντικούς υπολογιστές τόσο διαφορετικούς από τους αντίστοιχους κλασικούς θα ξεκινήσουμε από τo θεμελιώδες στοιχείο της πληροφορίας το ένα bit. Ένα bit είναι, στην πράξη, κάποιο φυσικό σύστημα το οποίο μπορεί να βρεθεί σε δυο διαφορετικές διακριτές καταστάσεις που αναπαριστούν δύο λογικές τιμές: ναι ή όχι, αληθές ή ψευδές, ή, απλά 0 και 1. Για παράδειγμα στους σημερινούς υπολογιστές, η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους οπλισμούς ενός πυκνωτή αναπαριστά ένα bit πληροφορίας: φορτισμένος πυκνωτής αντιστοιχεί στο 1 και αφόρτιστος στο 0. Ένα bit πληροφορίας μπορεί να κωδικοποιηθεί σε οποιοδήποτε φυσικό σύστημα αρκεί αυτό να διαθέτει τουλάχιστον δύο διακριτές καταστάσεις. Αν όμως επιλέξουμε ως bit, για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου που περιφέρεται σε καθορισμένες τροχιές γύρω από τον πυρήνα, τότε τα πράγματα αρχίζουν και γίνονται λίγο πιο περίπλοκα. Η κβαντική μηχανική μας λέει ότι το ηλεκτρόνιο, έχει την πιθανότητα να βρεθεί τόσο σε μια από δύο διαφορετικές καταστάσεις (τροχιές), όσο και σε μια σύμφωνη υπέρθεση των δύο καταστάσεων. Δηλαδή, το άτομο, βρίσκεται τόσο στην κατάσταση 0, όσο και στην κατάσταση 1 ταυτόχρονα! Η υπέρθεση αυτή είναι ένα καθαρά κβαντικό φαινόμενο, για το οποίο δεν υπάρχει ανάλογο στον κλασικό κόσμο, γι’ αυτό, από τώρα και στο εξής, είμαστε αναγκασμένοι να μιλάμε για κβαντικά bit ή αλλοιώς qubit. Φυσικά, εφόσον στην καθημερινή μας ζωή, έχουμε εμπειρίες μόνο κλασικών φαινομένων τέτοια φαινόμενα μας φαίνονται πολύ παράξενα.
Ας δούμε, όμως, τις θεαματικές συνέπειες που μπορεί να έχει η ιδέα της υπέρθεσης. Ας σκεφτούμε έναν καταγραφέα που δημιουργείται από τρία bit. Κάθε κλασικός καταγραφέας τέτοιου τύπου μπορεί να αποθηκεύσει, σε μια δεδομένη στιγμή, μόνο έναν από οκτώ αριθμούς, δηλαδή ο καταγραφέας μπορεί να βρίσκεται σε μια από οκτώ δυνατές καταστάσεις όπως 000, 001, 010, ... 111. Ο αντίστοιχος κβαντικός καταγραφέας, μπορεί να αποθηκεύσει σε μια στιγμή, και τους οκτώ αριθμούς σε μια κβαντική υπέρθεση. Αυτό είναι κάτι εκπληκτικό. Αν συνεχίσουμε να προσθέτουμε qubit στον καταγραφέα αυξάνουμε την χωρητικότητα του εκθετικά, δηλαδή τρία qubitμπορούν να αποθηκεύσουν 8 διαφορετικούς αριθμούς ταυτόχρονα, τέσσερα qubit μπορούν να αποθηκεύσουν 16 διαφορετικούς αριθμούς και, γενικά, L qubit μπορούν να αποθηκεύσουν 2L(*όπου L εκθέτης) αριθμούς. Από την στιγμή που ο καταγραφέας βρίσκεται σε μια υπέρθεση μπορούμε να εκτελέσουμε πράξεις με όλους αυτούς τους αριθμούς, δηλαδή, ουσιαστικά, δημιουργούμε μια νέου τύπου παράλληλη επεξεργασία πάνω σε ένα μόνο τμήμα του κβαντικού hardware! Για να εκτελέσει κάτι τέτοιο ένας κλασικός υπολογιστής θα πρέπει είτε να επαναλάβει τον ίδιο υπολογισμό 2L φορές ή να χρησιμοποιήσει 2L επεξεργαστές που θα εργάζονται παράλληλα. Με άλλα λόγια ο κβαντικός υπολογιστής, μας προσφέρει τεράστιο όφελος σε χρόνο και μνήμη.
Τα κυκλώματα ενός υπολογιστή αποτελούνται από πολυάριθμες λογικές πύλες που συνδέονται, μέσω αγωγών, μεταξύ τους. Μια κβαντική λογική πύλη, όπως και μια κλασική, είναι μια απλή υπολογιστική διάταξη η οποία εκτελεί κάθε φορά μια στοιχειώδη κβαντική λειτουργία, συνήθως πάνω σε δύο qubit. Βέβαια, οι κβαντικές πύλες διαφέρουν από τις κλασικές, στο γεγονός ότι μπορούν να εκτελέσουν λειτουργίες πάνω σε κβαντικές υπερθέσεις. Εντούτοις, καθώς ο αριθμός των κβαντικών πυλών σε ένα δίκτυο αυξάνεται, τότε, θα βρεθούμε αντιμέτωποι με κάποια σοβαρά πρακτικά προβλήματα. Όσα περισσότερα qubit εμπλέκονται τόσο πιο δύσκολο γίνεται να διατηρηθούν οι πολύτιμες κβαντικές συσχετίσεις μεταξύ τους. Η διατήρηση αυτών των συσχετίσεων αποτελεί «εκ των ων ουκ άνευ» συνθήκη για την λειτουργία ενός κβαντικού υπολογιστή. Στη διεθνή βιβλιογραφία αυτές οι συσχετίσεις είναι γνωστές με τον όρο quantum entanglement που στα ελληνικά έχει αποδοθεί με διαφορετικές εκδοχές με πιο συχνή αυτήν της κβαντικής σύμπλεξης.
H δυνατότητα να εκμεταλλευτούμε αυτά τα «καπρίτσια» της κβαντομηχανικής, ώστε να εκτελούμε υπολογισμούς, είχε ήδη τεθεί θεωρητικά από το 1981, από τον Feynman, σε μια ομιλία του, στο Πρώτο Συνέδριο για την Φυσική του Υπολογισμού στο ΜΙΤΙ. Σε αυτές τις διαλέξεις ο Feynmanπαρατήρησε ότι η προσομοίωση μιας κβαντικής διαδικασίας από έναν κλασικό υπολογιστή είναι αδύνατη. Εκεί όμως που τα πράγματα δείχνουν να φθάνουν σε ανυπέρβλητα εμπόδια, είναι η ώρα των μεγάλων επιστημόνων. Ο Feynman αντιλήφθηκε σωστά ότι το πρόβλημα ήταν με το κεφάλι στη γη και τα πόδια στον ουρανό. Απλά αποφάσισε να το αντιστρέψει. Αντί, λοιπόν, να το δει αυτό σαν εμπόδιο, το θεώρησε ως ευκαιρία. Εφόσον χρειαζόμαστε ένα τεράστιο υπολογιστικό έργο για να προσομοιώσουμε ένα πείραμα, ας πούμε στοιχειωδών σωματιδίων, τότε μπορούμε να θεωρήσουμε το ίδιο το πείραμα, από το στήσιμο μέχρι την τελική μέτρηση, ως ισοδύναμο μιας πολύπλοκης διαδοχής υπολογισμών και τελικά ως υπολογισμό καθεαυτό. Με αυτήν τη λογική ο Feynmanπρότεινε ότι θα ήταν δυνατόν να προσομοιώσουμε μια κβαντική διαδικασία με δεδομένο ότι ο προσομοιωτής είναι ο ίδιος μια κβαντομηχανική διάταξη. Σχεδόν ένα χρόνο αργότερα από αυτές τις διαλέξεις, το 1985, ο David Deutch θα δημοσιεύσει μια σημαντική θεωρητική εργασία σύμφωνα με την οποία, κάθε φυσική διεργασία, κατ’ αρχήν, μπορεί να προσομοιωθεί τέλεια από ένα κβαντικό υπολογιστή. Ο δρόμος είχε ανοίξει …

ΕΝΑΣ ΜΠΟΕΜ ΤΗΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ 

Ο Feynman υπήρξε μια ιδιαίτερα «αντισυμβατική» φιγούρα στο χώρο της επιστήμης. Ένα πραγματικό «φρικιό» με την έννοια που έχει η λέξη στη Δύση. Δηλαδή ένας ελεύθερα και ανατρεπτικά σκεπτόμενος άνθρωπος. Ίσως αυτή η πλευρά του να αποδειχθεί η μεγαλύτερη κληρονομιά του. Προέτρεπε τους φοιτητές του να ασχολούνται με τα προβλήματα μόνο για διασκέδαση. Μόνο για τη χαρά της ανακάλυψης. Και τους συμβούλευε να τολμούν να ακολουθούν δικούς τους δρόμους για την επίλυση. Ο Feynman είχε μια «Καβαφική» αντίληψη για την επιστήμη και τη ζωή. Σημασία δεν έχει το τέρμα, αλλά η διαδρομή. Όπως έγραψε και ο βιογράφος του JamesGleick, « Ο Feynman πίστευε στην προτεραιότητα της αμφιβολίας, όχι σαν κάτι που μας περιορίζει τη δυνατότητα της γνώσης, αλλά σαν την ουσία αυτής». Συμβούλευε τους φοιτητές του να επιχειρούν να δίνουν τις δικές τους λύσεις σε προβλήματα που ήδη είχαν λύσει άλλοι. Με αυτό τον τρόπο τους ωθούσε να αναπτύσσουν την πρωτοβουλία τους και να βλέπουν τα πράγματα μέσα από το δικό τους πρίσμα. Όσοι έχουν διαβάσει, για παράδειγμα, την «Χαμένη Διάλεξη» του Feynman θα μείνουν άφωνοι με τον τρόπο που ο Feynman χρησιμοποιεί την κλασική γεωμετρία για να φθάσει στην απόδειξη του …. νόμου της παγκόσμιας έλξης του Νεύτωνα! (στα ελληνικά από τις εκδόσεις ΚΑΤΟΠΤΡΟ, Αθήνα 1997). Στο βιβλίο του με τίτλο «QED» (δηλαδή Κβαντική Ηλεκτροδυναμική) θα θαυμάσουμε τα περίφημα διαγράμματά του με τα οποία μετατρέπει μια δύσκολη θεωρία με πολύ σκληρά μαθηματικά κυριολεκτικά σε καρτούν!
Αξίζει λοιπόν να γνωρίσουμε το έργο αυτής της μεγάλης προσωπικότητας και στο χώρο των υπολογιστών. Όχι μόνο για τους νέους δρόμους που άνοιξε, αλλά και για τον δικό του τρόπο με τον οποίο διαπραγματεύεται ήδη γνωστά ζητήματα όπως: την υπολογισιμότητα., τις μηχανές Turing, το θεώρημα του Shannon, τη θεωρία της πληροφορίας, την δαπάνη ενέργειας κατά τον υπολογισμό κ.α.. Κλείνοντας θα πρέπει να τονίσουμε πως σε φιλοσοφικό επίπεδο ο Feynman δεν ήταν παρά ένας ακόμη εκπρόσωπος, και μάλιστα «δογματικά» προσκολλημένος, του αγγλοσαξωνικού θετικισμού, που απεχθανόταν τις συζητήσεις γύρω από τις φιλοσοφικές προεκτάσεις των επιτευγμάτων της φυσικής. Επίσης, κατά έναν αξιοπερίεργο τρόπο, δεν είχε ποτέ υπό την ευθύνη του την επίβλεψη κάποιας διδακτορικής εργασίας.

ΕΡΓΑ ΤΟΥ ΙΔΙΟΥ:


“The Feynman lectures in physics”, “Statistical mechanics”, “Photon-hadron Interactions”, “Theory of Fundamental Processes”, “Quantum Mechanics and Path Integrals”, “Lectures onGravitation” , “Feynman's Tips On Physics: A Problem-Solving Supplement to the Feynman LecturesOn Physics”, “Elementary Particles and the Laws of Physics : The 1986 Dirac Memorial Lectures”, «QED: Κβαντική Ηλεκτροδυναμική» , «O xαρακτήρας του φυσικού νόμου», «Σίγουρα θ’ αστειεύεστε κύριε Feynman», «Τι σε νοιάζει εσένα τι σκέφτονται οι άλλοι», «H χαμένη διάλεξη του Feynman», «Έξι εύκολα κομμάτια», «Έξι όχι τόσο εύκολα κομμάτια», «Η χαρά της ανακάλυψης»

Πηγή:http://www.comentaristas.gr/2018/08/r-p-feynman.html?spref=fb του Β. Λεμπέση