П'ятниця, 28 січня 2022

Навчання

Що, та як - приходять одночасно

  Програмуючи Всесвіт: від сексуальної революції до квантового комп'ютера

Професор машинобудування Массачусетського технологічного інституту Сет Ллойд - один з головних фахівців у світі в галузі квантових обчислень і квантових комунікацій. Він першим запропонував технологічний дизайн квантового комп'ютера і довів теорему Шеннона, наочно продемонструвавши можливість квантових аналогових обчислень. У своїй книзі «Програмуючи Всесвіт» професор розмірковує про інформаційну природу буття, квантову мову всесвіту і про те, як його можна осягнути.           


          Поява людської мови приблизно 100 000 років тому або навіть раніше стала (давайте спокусимо наш біологічний вигляд) серйозною революцією у сфері обробки інформації. Дослідження скам'янілостей показують, що розвиток мови супроводжувався і прискорювався відносно швидким розвитком ділянок мозку, що відповідають за обробку мови. Нові нейронні мережі мозку, разом з одночасним розвитком голосових зв'язок, можна вважати природною «технологією», або механізмом, завдяки якому і виникла мова. Ця нова «нейронна технологія», очевидно, і дала початок чудовій універсальності людської промови - здатності висловити однією мовою більш-менш точно те, що було сказано іншою. Принаймні мова дозволила створити унікальні людські форми соціальної організації, яка зробила наш вид таким успішним.

           Чим далі в минуле, тим більш важливі революції в сфері обробки інформації ми спостерігаємо. Розвиток мозку і центральної нервової системи був тріумфом природної еволюції технології, добре пристосованої до перетворення інформації, що надходить ззовні, і для зв'язку між різними частинами організму. Розвиток багатоклітинних в першу чергу став результатом численних удосконалень у сфері всередині і міжклітинної комунікації. Кожна успішна мутація, кожен випадок виникнення нового виду - це крок вперед у сфері

     обробки інформації. Але щоб побачити ще більш серйозну революцію, яка затьмарила все, про що ми говорили досі, потрібно відправитися ще на мільярд років тому, до появи статевого розмноження.

   Статеве розмноження ніколи не передає нащадкам вдалу комбінацію генів у незмінному вигляді. У цьому сенсі секс перешкоджає успіху.


                   Перша сексуальна революція являла собою tour de force, її величезний успіх заснований на ідеї, яка на перший погляд здається невдалою. Чому невдалою? Тому що статеве розмноження несе ризик втрати цінної інформації. Успішна бактерія, розмножуючись безстатевим шляхом - почкуванням, передає потомству точну копію свого генетичного коду (звичайно, за умови відсутності випадкових мутацій). Але якщо організм розмножується статевим шляхом, його гени змішуються з генами партнера, і їх нащадок отримує новий набір генів. Цей процес називається рекомбінацією. Оскільки половина генів нащадка приходить від одного з батьків, а половина від іншого і вони перемішуються, то, якими б успішними не були унікальні комбінації генів кожного з батьків, геном нащадка буде від них відрізнятися. Статеве розмноження ніколи не передає нащадкам вдалу комбінацію генів у незмінному вигляді. У цьому сенсі секс перешкоджає успіху!

                 Так що ж у ньому хорошого? З точки зору природного відбору статеве розмноження сприяє більшій генетичній мінливості, в той же час сумлінно відтворюючи окремі гени. Припустимо, що у світі стає спекотніше. Успішна бактерія, яка розмножується почкуванням, раптово опиняється у ворожому оточенні. Її нащадку, в точності схожому на неї і адаптованому до прохолодного клімату, тепер буде складно вижити. Єдиний спосіб адаптації для безполої бактерії - мутація, викликана репродуктивною помилкою або шкідливими факторами навколишнього середовища. Більшість мутацій невдалі, і вони роблять бактерію ще менш успішною, але врешті-решт може трапитися вдала мутація, і на світ з'явиться більш теплостійка бактерія.

     Статеве розмноження створює різноманітність окремих особин, при цьому зберігаючи в цілості гени виду. Загалом, секс - не тільки задоволення, це хороший інженерний підхід.

           Без статевого розмноження адаптація проблематична, тому що закон світу: «Змінився або помри», - суперечить одному з основних законів життя: «Зберігай цілісність генома». Таке протиріччя добре відомо і в інженерній справі: дві функції системи бувають пов'язані так, що неможливо відкоригувати одну, не порушивши іншої. А ось при статевому розмноженні обмін генетичним матеріалом, або рекомбінація генів, призводить до великої мінливості, і при цьому підтримується генетична цілісність.

                       Наприклад, візьмемо невелике містечко, де всього тисяча жителів. Давайте підрахуємо всі можливі варіанти спарювання для цих людей (якщо судити по телесеріалах, їх може бути дуже і дуже багато) і кількість способів, якими гени всіх учасників можуть перемішатися і рекомбінуватися в їх дітях. Виявляється, що це містечко - ціла генетична «електростанція», здатна створити стільки ж різноманітності, що і мільярди бактерій. Різноманітність - це добре: якщо в місто прийде епідемія чуми, то деякі жителі її переживуть, а потім передадуть дітям гени резистентності до цієї хвороби. Більш того, здатність до різноманітності, яку створює статеве розмноження, не завдає шкоди геному. Відокремлюючи функцію адаптації від функції підтримки цілісності окремих генів, статеве розмноження створює різноманітність окремих особин, при цьому зберігаючи в цілості гени виду. Загалом, секс - не тільки задоволення, це хороший інженерний підхід.

                  Якщо ми вирушимо ще далі в минуле, то знайдемо бабусю всіх революцій у сфері обробки інформації - це виникнення самого життя. Життя на Землі почалося в точці, що відстає на одну третину від нашого часу до початку Всесвіту. (Коли це сталося в інших місцях і чи сталося взагалі, невідомо.) У живих організмів є гени, послідовності атомів в молекулах типу ДНК, в яких закодована інформація. Кількість інформації в одному гені можна виміряти: людський геном містить близько 6 млрд. бітів інформації. Організми передають свою генетичну інформацію потомству, яка іноді в мутувала формі.

    Масштаби всієї генетичної інформації, яку обробляють живі організми, набагато більше масштабів комп'ютерної обробки інформації, і їх обсяги зрівняються ще не скоро. Життя - це дуже серйозно.


           Організми, які вміють передавати генетичну інформацію, за визначенням успішні; організми, які не можуть передати свої гени, вимирають. Генетична інформація, що дає потомству репродуктивну перевагу, зазвичай зберігається протягом безлічі поколінь, хоча окремі організми, які її несуть, народжуються, відтворюють потомство і вмирають. Генетична інформація передається за допомогою природного відбору. Гени і механізми їх копіювання і відтворення - це ключова технологія обробки інформації життя. Не дивно, що масштаби всієї генетичної інформації, яку обробляють живі організми, набагато більше масштабів комп'ютерної обробки інформації, і їх обсяги зрівняються ще не скоро.

           Життя - це дуже серйозно. Яка революція може перевершити за своєю могутністю і красою походження життя? Але була ще одна, більш рання революція у сфері обробки інформації, без якої не було б жодної іншої. Перший інформаційний процесор - сам Всесвіт. Кожен атом, кожна елементарна частинка містить інформацію. Кожне зіткнення між атомами, кожна динамічна зміна у Всесвіті, навіть найкрихітніше, обробляє цю інформацію систематичним чином.

      Така обчислювальна здатність Всесвіту лежить в основі всіх наступних революцій у сфері обробки інформації. Як тільки фізична система набуває здатності обробляти інформацію на рудиментарному рівні, виконуючи прості операції з кількома битами, з цих елементарних операцій можуть бути побудовані наскільки завгодно складні форми обробки інформації. Закони фізики дозволяють просту обробку інформації на 

        квантово-механічному рівні: одна частинка - один біт; одне зіткнення - один оп. Складні форми, які ми бачимо навколо: життя, розмноження, мова, суспільство, відеоігри - всі вони складаються з простих операцій, які управляються законами фізики і в яких беруть участь всього по кілька квантових бітів за раз.

             Кожна революція у сфері обробки інформації пов'язана з тією чи іншою новою технологією - це комп'ютер, книга, мозок, ДНК. Ці технології дозволяють записувати і обробляти інформацію відповідно до якихось правил. Але що за технологія пов'язана з обробкою інформації Великого вибуху? Яка машина обробляє інформацію у Всесвіті, що обчислює? Щоб побачити цю універсальну технологію обробки в дії, досить просто відкрити очі і озирнутися навколо. Машина, що виконує «універсальні» обчислення, - це сам Універсум, сам Всесвіт.

Найпопулярніше на сайті