CONCEPTE GENERALE SI PROBLEME CUANTI CE ALE PROCESARII INFORMATIEI

Mihai Drăgănescu

Academia Română

I.

În ultimii doisprezece ani ani, în domeniile procesării si utilizării informatiei au avut loc multe noi deschideri tehnologice si evenimen te cu implicații mai largi. Dintre acestea, pot fi amintite următoare le:

II.

Ca urmare a aparitiei unei serii de idei noi în domeniul procesării informatiei, aceasta poate fi, conceptual vorbind,

Procesarea informatiei devine un concept mai larg decât computatia.

Pentru calculabilitatea (computabilitatea) clasică, la nivel logic sau pur matematic, este valabilă, după cum se stie, teza Turing- Church[1], din anul 1936. Această teză, care nu este o teoremă dem onstrată, după unii este chiar o ipoteză, afirmă că Masina Turing Universală (MTU) este un model matematic suficient de general pentru orice procedură efectivă de calcul, respectiv MTU poate fi programată pentru orice este computabil.Procedura efectivă este o notiune echivalentă cu algoritmul si, până de curând, cu computabilul, procedura efectivă (algoritmul) fiind con- siderată singura formă de computabil. Valabilitatea tezei Turing- Church este susținută de o covârsitoare evidentă experimentală[2], lu cru confirmat de faptul că toate tipurile de calculatoare clasice existente se încadrează în limitele conceptului MTU.

Ne găsim, în raport cu teza Turing-Church, exact în situatia unei teorii stiințifice (teza) despre adevărul căreia urmează ca stiinta să se pronunte. Teza Turing-Church satisface criteriul de falsificabilitate[3] al lui Popper, în sensul că toate situațiile experimentale existente ale computației algoritmice o confirmă.

Domeniul clasic în fizică este domeniul macroscopic care ascultă de legile fizicii clasice. Insusi Turing lăsa să se înteleagă că un proces fizic este întotdeauna reductibil la functionarea unei masini Turing, sau, posibilitătile computationale ale oricărui sistem fizic (clasic) sunt echivalente cu o masină Turing.

Ideea de mai sus este numită "teza lui Turing"[4]. Ea a influentat mult formarea unei viziuni strict structurale asupra lumii a unui număr, nu neglijabil, de oameni de stiință si chiar filosofi[5]. Ansamblul celor două teze de mai înainte, numite generic teza Turing-Church, a deschis de fapt câmpul unei dezbateri asupra relatiei dintre procesarea informatională, computațională cu predi lectie, si realitatea fizică, din două puncte de vedere:

III.

Odată cu aparitia unor idei noi pentru computatie, în special referitoare la calculatoarele moleculare si la calculatoarele cuantice, teza Turing-Church si conceptul de Masină Turing Universală au cunoscut noi dezbateri si încecări de formulare a unor noi teze privind computatia, precum si de noi concepte de masini universale. In privinta calculatoarelor moleculare, sau, în general, a elec tronicii moleculare, până în prezent s-au conturat câteva tendinte majore:

Dacă în cazul electronicii moleculare de tip (a) este evidentă valabilitatea conceptului MTU si a tezei Turing-Church, si în cazul automatelor celulare, precum si al retelelor neurale, nici acestea nu se plasează în afara acestui cadru. De aceea nici retelele neurale având drept noduri, nu microprocesoare, ci automate celulare, fie ele si moleculare ( electronica moleculară de tip (c)), nu depăsesc concep tul MTU si teza Turing Church. Este adevărat că la retele neurale, electronice sau moleculare, algoritmii se stabilesc, la o structură dată de retea, prin învătare adapativă, dar sunt algoritmi, compu tatia rămâne efectivă. Faptul că retelele neurale au fost simulate prin software pe calculatoare digitale clasice, iar astăzi se fabrică cipuri semiconductoare retele neurale, acestea sunt dovezi "experimentale" ale nedepăsirii MTU.

Lucrurile devin mai interesante pentru electronica moleculară de tip (b). Michael Conrad [18] afirmă, în deplin acord cu teza lui Tur ing, că orice proces fizic realizabil este echivalent cu o computatie, chiar dacă nu este obtinută printr-o computatie efectivă. Echivalenta cu o computatie înseamnă de fapt echivalenta generală, nu de de- taliu, cu o computatie efectivă, algoritmică, prin proceduri pas cu pas. Conform ideilor lui Conrad, recunoasterea dintre două biomole cule cu conformatii complementare reprezintă un calcul al cărui rezultat este obtinut printr-un singur proces fizic, dar care este echivalent cu un program continând un foarte mare număr de pasi (instructiuni). Important este faptul că se poate obtine o computatie, dar aceasta nu mai este efectivă sau algoritmică. Si totusi nu depăseste, în mod evident, posibilitătile Masinii Turing Universale.

Rezultă atunci două tipuri de computatii:

În privinta calculatoarelor ADN, acestea se încadrează, de asemenea, în cadrul Masinii Turing Universale [19]. O proprietate naturală a calculatoarelo ADN este aceea a unui masiv paralelism al calculului. Datorită acestei proprietăti s-a trecut si la o redefinire a claselor de complexitate a calculului. Yali Friedman [15] observă ur mătoarele:

"The fastest supercomputers can currently perform 1000 million in structions per second (MIPS); a single DNA molecule requires approximately 1000 seconds to perform an instruction (.001 MIPS). Obviously of you want to perform one calculation at a time (serial logic), DNA computers are not a viable option. However, if one wanted to perform many calculations simultaneously (parallel logic), a com puter such as the one described above can easily perform 10^14 MIPS. DNA computers also require less energy and space. While existing su percomputers operate 10^9 operations per Joule, a DNA computer could perform 2 x 10^19 operations per Joule (10^10 times more effi cient). Data can be stored on DNA at a density of approximately 1 bit per cubic nm, while existing storage media require 10^12 cubic nm to store 1 bit".

Se consideră că prin ADN si metodele standard de labora tor, utilizate în biologia moleculară pentru manipularea acestor acizi, se pot obtine memorii asociative care să înmagazineze 10^20 cuvinte, fiecare cuvânt având mii de biti [20].

Paralelismul masiv si memoria uriasă extind cazurile de prob leme din clasa de probleme tratabile(probleme P), atât din punctul de vedere al timpului de calcul, cât si din acela al spatiului de memorare. Calculatoarele ADN rezolvă, ca si cele clasice, probleme P, denumite polinomiale (timpul de calcul creste polinomial cu mărimea problemei, respectiv a algoritmului în calculul clasic [21]), dar nu rezolvă probleme de tip expo- nențial (la care timpul creste exponential) netratabile. Problemele exponentiale sunt netratabile ( deoarece timpul creste exponential cu complexitatea problemei) pentru calculatoarele clasice, dar si pentru calculatoarele ADN. Evident, în cazul problemelor exponentiale de complexitate mică, acestea pot fi rezolvate, dar asemenea probleme se plaseaza la limita de jos a cresterii exponentiale.

Calculatoarele ADN pot rezolva probleme P de o complexitate mult mai mare decât cele clasice si chiar pot aborda, într-un anumit mod, unele probleme exponentiale. Cu privire la această chestiune, în problema găsirii drumurilor hamiltoniene, Gh.Păun, care s-a remarcat prin lucrările sale privind teoria calculului molecular ADN, arată următoarele [22]:

"Problema (găsirii unui drum hamiltonian, rezolvată experimental de Adleman,n.n.M.D.) face însă parte dintr-o clasă de complexitate expo nentială. Mai precis, ea este NP-completă: nu se cunoaste nici un al goritm care s-o rezolve într-un număr de pasi care depinde polinomial de numărul de noduri, cei mai buni algoritmi (deterministi) de rezol vare cer un timp exponential; dacă o "solutie" este "ghicită" într-un mod sau altul, corectitudinea ei poate fi testată într-un timp polinomial - subl.ns.M.D.- ( se spune că problema este NP-dificilă, NP prescurtând sintagma " polinomial nedeterminist",mai mult, orice problemă NP- dificilă poate fi redusă la problema noastră în timp polinomial (deci dacă problema noastră ar putea fi rezolvată în timp polinomial. Atunci orice altă problemă NP-dificilă ar putea fi rezolvată astfel; acesta este întelesul "completitudinii" din sintagma NP-complet). Pe scurt, prob- lema găsirii drumurilor hamiltoniene între două noduri ale unui graf face parte dintr-o clasă extrem de dificilă de rezolvat (sunt numite probleme "netratabile ", indiferent de resursele de calcul folosite. Se poate însă imagina un algoritm nedeterminist de rezolvare, care este implementabil cu ajutorul ADN-ului (subl.ns.M.D.,ceea ce a si realizat L.Adelman)"

Alte aspect teoretic important este faptul că s-a putut defini un tip nou de automat, "automatul finit Watson-Crick", introdus de Freund, Păun, Rozenberg si Salomaa [23]. Această clasă de automate se deosebeste de cele cunoscute prin tipul structurilor de date pe care le foloseste, sub forma dublei elice ADN cu complementaritatea cunoscută a celor două benzi de nucleotide, spre deosebire de sirul linear unidimensional al automatelor cunoscute anterior.

Este de subliniat, încă odată, faptul că si aceste calculatoare se încadrează în teza Turing-Church [24].

IV.

În anul 1985, ca urmare a unor idei avansate anterior pri- vind realizarea unor calculatoare cuantice [25], D.Deutsch propune [26] o formulare a tezei Turing-Church, care sub forma extinsă asupra domeniul fizicii să se refere nu numai la fizica clasică, ci si la fizica cuantică.

Teza Turing-Church extinsă de Deutsch este formulată astfel: "Orice sistem fizic finit realizabil poate fi perfect simulat de un model universal de masină computation ală functionând cu mijloace finite."[27].

Dacă sistemul fizic este clasic, atunci el poate fi simulat de o MTU, respectiv orice proces fizic clasic este echivalent cu o compu- tatie pe o masină Turing.

Dacă sistemul fizic este cuantic, datorită faptului că un sistem cuantic se găsește într-o suprapunere de stări, atât timp cât este supus ecuației lui Schrödinger fără a interveni o interactiune cu mediul macroscopic, de exemplu printr-un proces de măsurare, atunci el nu mai poate fi o masină Turing. Masina Turing lucrează cu stări bine definite, în timp ce sistemul cuantic operează cu mai multe stări simultan, starea cuantică fiind , de regulă, o suprapunere de stări cuantice.

Dacă un bit clasic nu poate fi decât fie în starea 0, fie în starea 1, un bit cuantic, numit q-bit ( sau qubit în franceză), contine, în acelasi timp, o componentă corespunzând valorii 0 si o componentă corespunzând valorii 1.

Dacă sistemul cuantic primeste la intrare un mare număr de q- biti, atunci starea la intrare este o suprapunere a tuturor inputurilor posibile, care după ce sunt trecute prin circuitele logice cuantice, se obtine la iesire o suprapunere a tuturor output-urilor posibile ale acestei computatii. Cu alte cuvinte " calculatorul realizează dintr-o dată toate computatiile posibile"[28]. Acesta este paralelismul calcula- torului cuantic.

Deutsch a introdus conceptul de Calculator Universal Cuantic ( Universal Quantic Computer- UQC) care să acopere domeniul fizicii cuantice (de fapt, acea funcționare cuantică în conditiile în care ecuația lui Schrödinger sau oricare alt formalism echivalent al mecanicii cuantice actionează neperturbat) la fel cum MTU acoperă domeniul fizicii clasice.

Mai mult decât atât, se speră ca orice posibil calculator cuan tic, care lucrează în paralel cu multitudinea de stări cuantice su prapuse, să fie echivalent cu UQC, la fel cum orice calculator clasic este echivalent cu MTU. Deocamdată însă această teză foarte plauzibilă nu are verificările experimentale de care se bucură teza Turing-Church clasică.

Realizarea unui calculator cuantic este încă o problemă deschisă [29]. Progrese experimentale s-au făcut la nivelul câtorva porti logice cuantice, dar functionarea unui mare număr de asemenea porti pune probleme dificile din cauza fenomenului inerent al reduc erii cuantice datorită cuplajului inevitabil cu mediul înconjurător sistemului cuantic. De aceea, unii autori consideră că sperantele care se pun în calculatoarele cuantice sunt uneori excesive [30].

Avantajul calculatorului cuantic ar fi acela de a permite ca anumite probleme netratabile astăzi să poată fi rezolvate. Dacă prin calculatoare clasice pot fi rezolvate probleme polinomiale,prin calcu latoare cuantice ar putea fi rezolvate si probleme exponentiale [31]. Astfel, se observă :

" Une simple amélioration technique ( la calculatoarele clasice, n.ns.M.D.) ne sera capable que d'accélérer les calcul par un facteur fixe, sans incidence aucune sur la relation exponentielle entre taille de données et durée d'exécution. En revanche, les superpositions quantiques sont en mesure de modifier qualita tivement cette relation, précisément à cause de leur capacité à prendre en compte un nombre exponentielde termes disitincts ( N q-bits --> 2^N possibilités traitées simultanément)"[32].

Dar,după cum am văzut, recuperarea informatiei pune prob leme extrem de dificile.

Paralelismul calculatorului cuantic reprezintă o suprapunere de computatii, fiecare dintre acestea fiind totusi echivalentă cu o masină Turing. UQC este echivalent cu o suprapunere de masini Turing functionând în paralel si nu poate iesi din cadrul general al tezei Turing-Church, chiar dacă ar realiza si calcule exponentiale. Roger Penrose, din acest punct de vedere, observă:

"According to Deutsch's analysis, quantum computers cannot be used to perform non-algorithmic operations (i.e.things be- yond the power of a Turing machine) but, can, in certain very contrived situastions, achieve a greater speed, in the sense of complexity theory, than a standard Turing machine"[33].

După cum se poate observa, atât calculatoarele moleculare structurale, cât si cele cuantice, chiar dacă pot permite introduce rea unor concepte de noi automate, a unor tipuri noi de masini de calcul, toate acestea rămân în cadrul Masinii Turing Universale si al tezei Turing-Church.

Fată de cele de mai sus se pot formula următoarele principii fundamentale:

(A) Orice proces computational structural nu depăseste teza Turing-Church.

(B) Orice computatie poate fi realizată de un proces fizic structural.

(C) Orice proces fizic structural este echivalent cu o computatie.

Un proces fizic structural poate fi clasic sau cuantic.

Computatia poate fi: