Для работы компьютеры должны подключаться к электросети. Но что, если бы машины могли выполнять вычисления без электроэнергии?

Уже давно говорят о том, что закон Мура не работает. Оно и понятно: мощность современных процессоров не получится постоянно удваивать.

В 1950-х годах компьютерные исследователи пытались создать систему, моделирующую физические процессы, и в ходе работы обнаружили кое-что интересное.

Допустим, вы видите мяч, вылетевший из рук баскетболиста. В придуманном нами мире не существует силы трения. В таком мире мяч вернется в руки, в независимости от того, под каким углом он летел. Если предположить, что мячу требуется шесть единиц энергии для достижения пола, то после его касания мяч снова использует шесть единиц энергии для возвращения в исходную точку.

Ещё один пример из книги «Вычисление с квантовыми кошками». Предположим, на столе для игры в бильярд лежит два шара одного цвета. Вы решили снять на видео, как один из мячей попадает в другой, а потом записать его задом наперед. Никто не смог бы догадаться, какой мяч лежал не двигаясь, а какой атаковал.

Посмотрите на картинку. Исходя из написанного выше, вы наверняка догадались, что чего-то не хватает. А не хватает информации о том, что произошло с мячом ранее.

Смотрите, все мячи сдвинулись, кроме одного. Неожиданно, правда? Получается, что реверсивность не работает, когда мячей много.

Согласно второму закону термодинамики, величина энтропий постоянно возрастает, и этого не изменить.

В 1961 году Рольф Ландауэр, исследователь из IBM, выяснил, что для вычислений не нужно рассеивать энергию. Вычисления не виртуальны, а происходят в реальном мире.

«Информация не является бестелесной абстрактной сущностью. она всегда связана с чем-то осязаемым. Неважно, на каменной табличке, отверстии в перфокарте или где-то ещё. Количество информации для обработки ограничено физическими мощностями» – Рольф Ландауэр

Существует связь между обратимостью и термодинамикой, информацией и термодинамикой. И по этой причине мы можем утверждать, что связь между обратимостью и информацией тоже существует.

Автор научных книг Джон Гриббин описывает забавный мысленный эксперимент, который лучше иллюстрирует эту мысль.

Здесь 0 и 1 – двоичные числа. Холм представляет собой некое физическое препятствие между битами. Когда мяч сможет перекатиться через холм, число ноль сменится единицей и наоборот.

Шар, проходящий по холму, будет выглядеть так:

Мяч получает количество энергии, равное шести, поскольку ему нужен толчок вверх, а потом он отдаёт такую же энергию, чтобы пройти равный путь, но уже в другую сторону.

Интересно, что для перехода через холм энергия вроде бы нужна, но можно обойтись и без неё.

Так и с вычислениями. Выполнение процесса может ничего не требовать, но для проверки положения мяча нужно проанализировать ситуацию и потратить на это энергию.

Компьютеры полностью состоят из таких холмов, переключателей. Если переключать коммутаторы так просто, то в теории для открытия или закрытия тяжёлых металлических ворот тоже не потребуется энергия.

Что? Ворота?!

Давайте пока забудем про металл и разберемся с логическими элементами (ворота = логический элемент). Это такой инструмент, который используют для принятия решений. Вы даёте входную информацию, а он выпускает результат. Один из простейших логических элементов – «И».

Подробнее о работе логических элементов можно почитать здесь.

Логические элементы могут принимать только 0 или 1 в качестве входных данных. На выходе можно получить только произведение A и B (результат 1 можно получить, если A и B равны одному).

Во всех других случаях, когда A и B не равны 1, логический элемент AND будет выдавать 0.

То есть мы точно знаем, какими были входные данные, если результат равен 1.

Если на выходе мы получаем 0, то сказать, что мы получили на вход, будет трудно. Это могло быть A = 0, B = 1 или A = 1, B = 0 или A = 0, B = 0.

В данном примере мы не можем использовать «И», чтобы вычислить входные сигналы.

«И» не является обратимым логическим элементом. Для создания компьютера, который сможет реплицировать классическую физику, компоненты компьютера тоже должны быть обратимы.

Реверсивные программы

Чарльз Беннет в 1973 году, работая в IBM, создал несколько простых обратимых компьютерных программ. Первая половина будет выполнять вычисления, а вторая половина – отменять их.

Проще говоря, процесс выглядит следующим образом:

• Вычисляется ответ.
• Ответ записывается.
• Все вычисления откатываются назад в исходную точку.

Работа Беннета была чисто теоретической. Тем не менее, Эд Фредкин разработал обратимые логические ворота для создания компьютера.

Вентиль Фредкина

Любая логическая или арифметическая цепочка может быть создана с помощью этой технологии. И любой компьютер может работать по этой схеме.

На Викиванде есть понятное объяснение того, как работает схема Фредкина.

Фредкинские ворота отображают три входа (A, B, C) на три выхода (P, Q, R). Вход C ведёт к выходу R. Если C = 0, ничего не произойдет. A ведёт к P, а B к Q.

Если C = 1, система выходов изменится, потому что тогда изменится и результат R, от которого в данном примере зависят остальные.

Если обратить процесс, то выходы совпадут, даже при изменении входных данных.

Вывод

Если построить идеальный вентиль Фредкина, то для вычислений не нужна будет энергия. Это даже круче, чем Blockchain-технологии. Представьте себе блок-цепь, которая ничего не потребляет, а единственным ограничением для неё будет объем памяти.

Если практически рассмотреть преимущества такой системы, то, например, срок службы аккумуляторов увеличится в десятки раз.

Есть нюанс: компьютеры строили с расчётом на то, что они будут потреблять энергию. Для построения компьютеров по системе логических ворот нужно по-другому смотреть на работу технических устройств, придумывать их заново.

Кроме того, этот процесс довольно медленный. То, что может занять около 4 секунд на обычном ЦПУ, по методу Фредкина будет выполняться 8 секунд. Потому что сначала нужно выполнить, а потом отменить, и времени тратится в два раза больше.

В 1990-х годах исследовательская группа обнаружила, что энергосбережение по методу Фредкина линейно пропорционально тому, как медленно вы запускаете процессы.

В 2016 году было объявлено, что исследователи создали квантовый вентиль Фредкина, который может быть использован для построения квантового компьютера.

Чтобы вы не теряли время, предупреждаем: в нашем мире сила трения пока ещё есть, а значит реализовать эту схему всё равно пока что не получится.

Интересно читать про вычисления без энергопотребления? Посмотрите похожие материалы:

• Цепь Маркова – это просто: подробно разбираем принцип
• Как компьютер генерирует случайные числа
• Метод изучения математики, который применяют в Оксфорде

Источник: Hackernoon