Частина 1. Загальна картина
Розділ 1. Вступ
Ця книжка історія Всесвіту і біта. Всесвіт це найбільше з усього, що існує в природі, а біт є найменшою частинкою інформації. Всесвіт створений з бітів. Кожна молекула, атом та елементарна частинка несуть біти інформації. Кожна взаємодія між цими часточками Всесвіту обробляє ту інформацію, змінюючи біти. Тобто Всесвіт обчислює, і оскільки він регулюється законами квантової механіки, він здійснює обчислення квантово-механічним чином; його біти це квантові біти. Історія Всесвіту це, по суті, величезне та безперервне квантове обчислення. А сам Всесвіт це квантовий компютер.
Тоді постає питання: що обчислює Всесвіт? Він обчислює сам себе. Всесвіт обчислює власну поведінку. Щойно Всесвіт виник, він почав обчислювати. Спочатку структури, які він створював, були дуже прості, містили елементарні частинки і встановлювали елементарні закони фізики. З часом, у міру того як Всесвіт обробляв дедалі більше інформації, структури, які він формував, ставали все складнішими: галактики, зорі, планети й так далі. Життя, мова, людина, суспільство, культура усе це завдячує існуванням природній здатності матерії та енергії обробляти інформацію. Здатність Всесвіту обчислювати проливає світло на одну з найвеличніших таємниць природи: яким чином такі складні системи, як живі істоти, можуть бути результатом фундаментально простих фізичних законів. Ці закони дають нам змогу прогнозувати майбутнє, але тільки в рамках імовірності й тільки у великих масштабах. Квантово-обчислювальна природа Всесвіту свідчить про те, що подробиці майбутнього від початку непередбачувані. Їх може обчислити компютер розміром із сам Всесвіт. Інакше єдиний спосіб дізнатися про майбутнє це чекати й спостерігати.
Познайомимося ближче. Перше, що я памятаю, це життя в курнику. Мій батько навчався в мебляра у Лінкольні, Массачусетс, а курник був позаду флігеля. Батько перетворив приміщення на двокімнатну квартиру; простір, де кури вмощувалися на сідало, став спальним місцем для мого старшого брата і мене (молодший брат мав право на колиску). Уночі мати співала нам, укривала ковдрою і зачиняла деревяні двері курника, залишаючи нас кутатись і визирати у вікно на навколишній світ.
Перше, що пригадую, я бачу вогонь, що здійнявся в сміттєвому кошику з дротами, з великим ромбом. Потім згадується, як я міцно тримався за ногу матері в блакитних джинсах трохи вище від коліна і як батько пускав японського повітряного змія-літака. Після того спогади ринуть один за одним. Сприйняття кожного живого створіння є унікальним, сповненим подробиць, структурованим. Та всі ми мешкаємо в тому самому просторі, і нами керують ті самі фізичні закони. У школі я дізнався, що закони, котрі керують Всесвітом, на диво прості. Мені стало цікаво, як таке може бути, що складність, яку я спостерігав за вікном спальні, є результатом оцих простих фізичних законів? Я вирішив дослідити це і витратив роки на вивчення законів природи.
Гайнц Пейджелс, який трагічно загинув через нещасний випадок під час сходження на гору в Колорадо влітку 1988 року, був блискучим та неординарним мислителем і вірив у подолання загальноприйнятих меж науки. Він надихнув мене на розробку фізично точних методів описування та вимірювання складності. Пізніше під керівництвом Мюррея Ґелл-Манна в Каліфорнійському технологічному інституті я дізнався, яким чином закони квантової механіки та фізики елементарних частинок ефективно «програмують» Всесвіт, сіючи зерна складності.
Сьогодні я професор машинобудування (англійською це буквально звучить «механічної інженерії») в Массачусетському технологічному інституті (МТІ). Або, оскільки в мене немає диплома про освіту у сфері механічної інженерії, мене точніше назвати професором квантово-механічної інженерії. Квантова механіка це галузь фізики, що торкається матерії та енергії в їхніх найменших масштабах. Квантова механіка для атомів означає те саме, що класична механіка для двигунів. Простіше кажучи, я інженер атомів.
У 1993 році я відкрив метод конструювання квантового компютера. Квантові компютери це пристрої, в яких використовується здатність окремих атомів, фотонів та інших елементарних частинок до обробки інформації. Вони обчислюють так, як не здатні обчислювати класичні компютери, як-от персональні. У процесі дослідження того, яким чином змусити найменші часточки Всесвіту атоми та молекули обчислювати, я краще зрозумів природну здатність до обробки інформації Всесвіту як єдиного цілого. Складний світ, що його ми бачимо навколо, це вияв квантового обчислення Всесвіту, що лежить у його основі.