Počítače z přírody

Od chvíle, kdy člověk použil prstů na svých rukou, aby si spočítal ovce či pecny chleba, se datují dějiny výpočetní techniky. To hlavní se však odehrávalo, jak všichni víme, v druhé polovině dvacátého století, již za života mnohých z nás. V tomto čísle Vesmíru se dozvíte o posledním výstřelku, o kvantovém počítání (viz článek „Kvantové počítače“ od M. Biskupa, P. Cejnara a R. Koteckého, 76, 250, 1997/5).

Řekne-li se počítač, vybaví se většině z nás nejspíš obrazovka, klávesnice, nějaké diskety a možná i ta tajemná skříňka, zvaná procesor, ve které se děje cosi složitého, chytrého, rychlého a v celé úplnosti stěží komu pochopitelného, s těmi prsty na rukou to však přece jen něco společného má. Jeden prst, dva prsty, tři prsty, čtyři prsty, pět prstů – to je pět fyzicky realizovaných stavů, reprezentujících zcela abstraktní objekty, totiž čísla jedna, dvě, tři, čtyři a pět. Že jsou to prsty, na tom nesejde, mohly by to být stejně dobře i oblázky, rýhy v kameni, kuličky na počítadle, čárky na papíře. Přidáte-li další prst (oblázek, rýhu, kuličku, čárku), přičetli jste číslo jedna a realizovali tak nejjednodušší krok výpočtového procesu. Stejně tak i v té tajemné skříňce moderního počítače bychom našli reprezentace abstraktních objektů a výpočtové procesy, jen je to tam všechno o hodně složitější.

Na rozdíl od myšleného výpočtového procesu (či algoritmu, který jej řídí), což je abstraktní objekt, nemůže realizovaný výpočtový proces existovat jinak než tím, že se přiživuje na reálných fyzických a fyzikálně popsatelných dějích. Nesejde na tom, jaké děje to jsou, mohou to být elektrické proudy, toky kapalin či plynů, otočky ozubených kol, rázy kulečníkových koulí, třeba i drncání plechovek od piva s pohonem na větrník ¹⁾ . Mohou to být též spontánní časové vývoje kvantových systémů, jak popsáno ve zmíněném článku.

Řekl jsem „přiživuje se“, což si zaslouží malé vysvětlení. Představme si spletitý systém vodních stružek, které se rozmanitě spojují nebo rozvětvují. Tu a tam jsou umístěna stavidla, která se otevírají nebo zavírají podle toho, zda a odkud přitéká voda. Na stružky a tekoucí vodu v nich se můžeme dívat dvěma způsoby. Jednak jako na součást přirozeného světa, která se sama o sobě (poté, co je přivedena voda) autonomně vyvíjí způsobem, který jsme si navykli popisovat přesnými zákony a principy (v našem případě například zákony hydrodynamiky). Můžeme se na to dívat i jinak: co když někdo podle rozmyšleného plánu vyhloubil stružky a rozmístil stavidla tak, aby tímto nezvyklým způsobem vytvořil počítač? Pak není důležitá voda, nýbrž logická nebo numerická funkce realizovaná přítomností či nepřítomností vody ve vybraných místech. Funkce sama je věc abstraktní, její realizace se však neobejde bez spontánního vývoje přirozeného světa. Obráceně to neplatí, voda by si nějak tekla i bez logické nebo numerické funkce. To vše je míněno oním „přiživuje se“.

Říkám-li, že dotyčná funkce je abstraktní, říkám tím dvojí: za prvé, že si můžeme myslet libovolné množství různých fyzikálních principů (elektrických, hydrodynamických, mechanických, ba i chemických či biologických ²⁾ ), použitých k její realizaci, a za druhé, že si můžeme jakoukoliv realizaci prostě odmyslet.

Často se v této souvislostí mluví o úrovních: výpočtový proces jako by probíhal v nějaké vyšší úrovni „nad“ procesy fyzikálními. Toto metaforické „nad“ souvisí s tím, že místo o přiživování výpočtových procesů na procesech fyzických můžeme mluvit o podpírání prvých druhými; navíc příslušné fyzické procesy zpravidla popisujeme na jemnější rozlišovací úrovni (jako chování molekul, atomů a elektronů), než v jaké se odehrávají výpočtové procesy (manipulující s čísly, byty a bity).

Kvantové počítače jsou v tomto směru obzvláště zajímavým případem. Sestoupíme-li při volbě podpírajících procesů až do hloubi kvantové úrovně, ocitneme se ve světě, který se již zcela vymyká naší intuici, kde probíhají děje zcela nepřístupné našemu pozorování a měření, a pokud, pak jsou jím redukovány na jakási náhodně vybraná torza. a přece tyto děje dodržují fyzikům známé deterministické zákony.

Představte si znovu jeden, dva, tři, čtyři a pět prstů – jako příklad pěti možných stavů systému (naší ruky). Tak tomu aspoň je v našem světě, makrosvětě. Kdbychom však chtěli vložit ruku do kvantového světa, bylo by tu pojednou nespočetně dalších stavů, superpozicí původních pěti. Matematicky nic zázračného, každá superpozice je jen lineární kombinací oněch pěti stavů (s koeficienty v oboru komplexních čísel). S takovou superpozicí by výpočetní proces nakládal jako s jediným stavem; nechal by ho spontánně se vyvíjet dle (deterministických) zákonů kvantové mechaniky. Ale jen za našimi zády. Jakmile se podíváme, ukáže se nám zase jen jeden z původních pěti stavů – který, to by rozhodl pravděpodobnostní (tedy nedeterministický) zákon.

Pro podivné chování kvantových stavů mám určité podobenství, které, nejsa fyzik, smím snad prozradit. Představuji si mrak na obloze, jehož složitý obrys mi může připomínat rozličné věci, jednou velblouda, jindy lasičku, jindy velrybu, cokoliv, co mi bujná fantazie napoví. Pokud se nedívám, mrak nepřipomíná nic, nebo – proč to neříct jinak? – a priori připomíná vše, nač si mohu pomyslet, a to současně, jen s různými vahami. Čili superpozice podob, která se mění tak, jak se postupně sám od sebe mění tvar mraku. Když se však na mrak podívám (a povolím uzdu fantazii), zjeví se mi jediná jeho podoba, a to nejspíš ta, která má největší váhu.