Знание - сила, 2003 № 06 (912)

Владимир Гердт

Новая грандиозная задача, встающая перед мировым научным сообществом — создание действующего квантового компьютера, — призвала под свои знамена представителей разных дисциплин. Это не только специалисты по собственно компьютингу, но и физики, и математики, и биологи. На стыке квантовой физики, теории информации и вычислительной техники рождается альтернатива традиционным компьютерам, подходящим к своему физическому пределу. Однако возникновение новой вычислительной парадигмы происходит небезболезненно, наряду с очевидными успехами проявились проблемы, к которым надо бы готовиться загодя...

Мы, как всегда, отстаем от передового человечества. Уничтожение науки, уничтожение культуры происходит повсюду, но у нас медленнее, чем в других местах, а это значит, что еще есть некоторая надежда, что мы сохраним свой традиционный уровень культуры дольше, чем так называемые более передовые страны.

За последние два года я неоднократно выступал за рубежом перед студентами и молодыми учеными. И, к сожалению, видел, что молодые люди, которые хотят заниматься компьютингом, убеждены, что физика им совсем не нужна, а математика, если и нужна, то лишь фрагментарно, минимально. В России такое отношение пока еще не так выражено, но и здесь оно ощущается. Это устойчивое заблуждение может уже в ближайшем будущем привести к острому дефициту специалистов, способных идти в ногу с чрезвычайно быстро возрастающим уровнем компьютерных технологий, который потребует очень глубоких знаний фундаментальной физики, а также и математики. Сейчас я попробую привести аргументы в пользу такого прогноза.

Это произошло на рубеже XIX и XX веков. Выдающийся математик Давид Гильберт на Всемирном математическом конгрессе в Париже в августе 1900 года сделал свой знаменитый доклад. В нем он сформулировал 23 фундаментальные математические проблемы. Одна из них — 23-я в списке Гильберта — формулируется следующим образом: существует ли «механическая» процедура, механическая — в смысле алгоритмичная, которую можно выполнить по шагам любому человеку или прибору, дающая на любое математическое утверждение ответ, верно оно или ложно. Проблему решили в 30-х годах независимо друг от друга двое ученых и ответили на вопрос Гильберта отрицательно. Один из них — австрийский математик Курт Гедель, другой — известный английский математик Алан Тьюринг, который разработал гипотетическую «машину Тьюринга» именно для того, чтобы решить эту проблему. «Машина Тьюринга» — чисто умозрительная механическая машина, которая считывает посимвольно информацию с некоей потенциально бесконечной ленты и обрабатывает ее по определенной схеме в зависимости от считанного символа.

Именно эта машина и основанные на ней вычисления, исследованные Тьюрингом, положили начало математической теории вычислений. Существует тезис Черча — Тьюринга, согласно которому любая алгоритмическая процедура может быть выполнена на этой машине. В этом смысле машина Тьюринга эквивалентна любому современному компьютеру. Но в свете нашего разговора важно, что это чисто «механическая» процедура, это исключительно математический подход к компьютингу. Вся современная теория информатики основана на машине Тьюринга. С ее помощью впервые было показано, что к теории вычислений можно подходить чисто математически, забывая, что любой компьютер — это физический прибор, что это объект физики. А это сыграет, как мы увидим, и отрицательную роль.

Все мы хорошо знаем, что компьютеры становятся миниатюрнее и миниатюрнее. Здание нашей Лаборатории в ОИЯИ — пример недальновидности прогнозов 60 — 70-х годов: центральные холлы, ныне почти пустующие, предусматривались для вычислительных машин будущего. Как тогда предполагали, более мощные машины будут требовать больше и больше места под периферию, память и так далее. В действительности все оказалось как раз наоборот.

Историческая справка. В середине 60-х годов Гордон Мур сформулировал правило, требующее удвоения производительности вычислительных систем каждые восемнадцать месяцев. До сих пор оно не нарушалось. Мур вывел свой эмпирический закон, просто подсчитав темпы роста числа транзисторов в интегральной микросхеме в зависимости от времени. Соответственно, этот закон задает темпы миниатюризации отдельного транзистора.