Счет от 0 до 9 очень прост: 0,1,2,3,4, 5,6,7, 8,9. Но тут наши привычные цифры кончаются. Для продолжения счета мы используем абстракцию – ноль.
Следующее после 9 число – это 1, после которого следует 0, то есть 10. Число 10 – это 1 в столбце десятков и 0 в столбце единиц. Следующее число, 11 – это 1 в столбце десятков и 1 в столбце единиц. Так можно продолжать считать вплоть до 99.
Следующее число – 100. Это 1 в столбце сотен, 0 в столбце десятков и 0 в столбце единиц.
Счет в битах ведется сходным образом. Начнем: 0 = нуль, 1 = один. На этом двоичные цифры заканчиваются. Но мы продолжим счет по аналогии с десятичными цифрами. Следующая комбинация битов – 10, которая равняется двум: 1 в столбце двоек и 0 в столбце единиц. Следующая комбинация – 11, она соответствует трем: 1 в столбце двоек и 1 в столбце единиц. Комбинация цифр – 100, естественно, обозначает число четыре: 1 в столбце четверок, 0 в столбце двоек и 0 в столбце единиц. Затем – комбинация 101, которая обозначает пятерку (1 в столбце четверок плюс 1 в столбце единиц), 110 = шесть, 111= семь.
Число восемь представлено уже четырьмя битами: 1000, где у нас есть 1 в столбце восьмерок и 0 в столбцах четверок, двоек и единиц. Мы видим, что длина двоичных чисел увеличивается много быстрее, чем обычных.
Записывать цифры в двоичной системе утомительно. Однако вести счет в двоичной системе легко, легче, чем в десятичной. Вся таблица сложения выглядит так:
0+0=0; 0+1=1; 1+1=10.
А таблица умножения выглядит еще проще:
0x0 = 0; 0x1=0; 1x1 = 1.
Прелесть, правда?
Такая операциональная простота и стала причиной лавинообразного развития цифровых технологий.
В электронном компьютере биты хранятся в электронных устройствах, например, в конденсаторах. Конденсатор похож на ведро, в котором лежат электроны. Чтобы наполнить ведро, к конденсатору прикладывают напряжение. При нулевом напряжении конденсатор не содержит электронов. Такой конденсатор находится в состоянии 0. При подаче напряжения конденсатор заполняется лишними электронами и переходит в состояние 1.
Как всегда, любое устройство, у которого есть два надежно различаемых состояния, может хранить один бит. Некоторые биты просто хранят информацию. Другие биты являются инструкциями или командами. Функционирует ли бит как бит памяти или как бит команды, зависит от контекста, в котором он используется.
Квантовый компьютер отличается от обыкновенного компьютера. Вместо привычных битов квантовый компьютер оперирует кубитами. Что же такое кубит? Сам термин кубит (qubit) происходит от словосочетания «квантовый бит» (quantum bit). Если обычный бит может находиться в одном из двух состояний, 0 или 1, то квантовая система, такая, как атом, может находиться в двух состояниях одновременно. Покуда квантовая система изолирована от внешнего воздействия, она находится в состоянии 0 и в состоянии 1 в одно и то же время. Один изолированный кубит абсолютно бесполезен. Однако несколько связанных между собой в единую систему кубитов демонстрируют удивительные способности.
Например, три связанных в систему кубита могут хранить восемь комбинаций одновременно: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Четыре кубита хранят одновременно 16 комбинаций, пять – тридцать две комбинации и т. д.
Если кубит находится в контексте хранения данных, то его способности просто чудесны. Но еще чудесней способности кубита, который находится в контексте команды. Кубит находится в двух состояниях 0 и 1 одновременно. При этом квантовый компьютер совершает два действия одновременно, а квантовый бит памяти хранит оба полученных результата.
Но у квантового бита есть еще одна черта, которая делает квантовый компьютер уже совершенно удивительной машиной. Согласно свойству суперсимметрии квантов кубит может находиться в регистре команд и в регистре хранения данных в зависимости от того, как его регистрирует внешний наблюдатель. Не стоит упускать из вида, что кубит дискретен, но вместе с тем кубит также и непрерывен, из-за своей волновой природы. Поэтому в квантовом компьютере стирается грань между аналоговыми и цифровыми вычислениями.
Квантовый компьютер аналоговый и цифровой одновременно.
Квантовая логика такого компьютера радикально изменяет характер вычислительного процесса. Квантовый компьютер способен выполнять две операции одновременно, а квантовый кубит способен хранить одновременно результаты этих операций. Эта способность делать две вещи сразу присуща именно квантовой механике. В двухщелевом эксперименте фотон проходит через обе щели сразу. Способность фотона проходить две щели сразу связана с его волновой природой. Волновая природа квантов позволяет им интерферировать друг с другом, производя качественно новые формы и явления.
Сет Ллойд, профессор Массачусетского технологического института, так иллюстрирует суть квантового компьютера:
«Классическое вычисление похоже на сольную партию одного музыкального инструмента – отдельные строки чистых тонов. Квантовое вычисление похоже на симфонию, состоящую из множества тонов, интерферирующих друг с другом».
Когда квантовому компьютеру подают на вход суперпозицию нескольких инструкций, он начинает выполнять их одновременно. Теперь мы спросим компьютер, делающий несколько вещей сразу: что он делает? Как и с любой квантовой системой, когда мы проводим измерения в суперпозиции нескольких возможных состояний, результат измерений дает одну из потенциальных возможностей с некоторой, соответствующей этой возможности, вероятностью.
Продолжая метафору квантового компьютера как симфонии, можно сказать, что, прерывая квантовый компьютер в ходе вычислений, мы теряем звучание оркестра и слышим лишь один голос, выбранный по случаю.
То же самое случается с фотоном в двухщелевом эксперименте. Когда мы проводим измерения, чтобы выяснить, через какую щель проходит фотон, он обнаружится в одной или во второй щели, случайным образом. Если мы хотим увидеть интерференцию в эксперименте с двойной щелью, нужно подождать, когда фотоны достигнут экрана. Также и в процессе квантового вычисления не следует его прерывать. Нужно позволить всем действиям проинтерферировать друг с другом и дать новый интерферационный результат.
Это возвращает нас к смысловой неоднозначности слова. Смысл слов нельзя моделировать посредством четкой логики. Логика смыслов нелинейна. Она зависит не только от значения исходных слов, но и от их смыслового восприятия. Цифровая революция приближает нас к интуитивному пониманию нечеткой и нелинейной логики, свойственной языкам и искусству.
3.3. Цифровая революция
Цифровая революция совершилась. Бит стал реальностью. Бит – это самая маленькая и неделимая единица информации. Сколь угодно большие массивы данных и любые операции с данными могут быть представлены записью или строкой, состоящей из битов. Бит может просто хранить информацию. Бит может быть элементом инструкции или команды по обработке и передаче информации. Функциональная значение бита зависит от контекста, в котором он используется.
Сам по себе отдельный бит не имеет никакой структуры. Он либо есть, либо его нет. И, если он есть, то его размер не превышает фундаментальный квантовый размер Макса Планка:
1,616252 (81) × 10-35 м.
В первом приближении пространство представляет собой трехмерную решетку с планковским размером ячеек. В каждой ячейке может храниться бит информации. Бит либо есть в ячейке, либо его нет. В каждый момент времени содержимое ячейки пространства может изменяться. Бит либо появляется в ячейке пространства, либо покидает ее. Волны битов распространяются по решетке пространства, сопутствуя волнам света, а уплотнения битов сопутствуют скоплению вещества.
Один изолированный бит есть элементарный знак. Знак предназначен для хранения и передачи информации. Хранение, обработка и передача битов реализуется посредством битов. Биты соединяются битами. Биты образуют символические структуры. Став частью символической структуры, бит перестает быть знаком и становится символом.
Элементарный символ стоит в одном ряду с элементарной частицей вещества и элементарным квантом действия.
Все три ипостаси реальности (символ, вещество и действие) неотделимы друг от друга. Вещественное нельзя отделить от динамического. Вместе они представляют собой физическую реальность. Символический обмен связывает физическую и символическую реальности. Под символической реальностью можно понимать любую воображаемую конструкцию, построенную на основе той или иной логики. Благодаря вычислительной технике мы начинаем понимать и воспринимать реальность символов. Современная техника все настойчивее погружает нас в мир программ и алгоритмов. Алгоритм не материален. Алгоритм недвижим. В этом смысле его нельзя «ухватить пальцами». Алгоритм представляет собой набор знаков и символов, и он реален. Реальность алгоритма проявляется в эффектах, которые он производит.
В 1989 году Джарон Ланир, один из известных деятелей киберкультуры и хакерского движения, ввел словосочетание «виртуальная реальность». Этот термин сразу стал популярным потому, что ассоциировался с уже существовавшим в физике понятием виртуальной частицы (переносчика взаимодействий) и благодаря этой ассоциации указывал на самое главное – на логику взаимодействия.
Появление виртуальной реальности ознаменовало техническую революцию. Наряду с элементарными частицами вещества и квантом действия символический бит стал третьим элементом реальности. Символический обмен занял свое место в одном ряду с обменом веществом и обменом количеством действия.
Сегодня полное погружение в виртуальную реальность – дело техники. Программное обеспечение позволяет мозгу легко контролировать виртуальный аватар. Мозг быстро адаптируется и принимает аватар за свое тело. Ланир уверен, что виртуальные фантазии ничем не ограничены: