Тьюринг. Компьютерное исчисление

Несмотря на короткую жизнь, Алан Тьюринг остается одним из самых талантливых и влиятельных ученых XX века. Его работы не только заложили теоретические основы информатики — он сделал первые шаги в сфере искусственного интеллекта и математической биологии. Но в наследии Тьюринга можно выделить и еще один интересный момент: помимо трудов, опубликованных в научных изданиях, он оставил множество документов с комментариями, отметками и замечаниями. Удивительно, что многие из высказанных Тьюрингом идей успешно развивались в дальнейшем, открывая новые области знания. Мы опишем некоторые из этих исследований, наиболее интересные как интеллектуальный вызов или с точки зрения последующего применения. В частности, учитывая весьма значительный вклад Тьюринга в данный проект, мы опишем квантовый компьютер, а напоследок поговорим о биоинформатике, разработке и применении искусственных нейронных схем в повседневности.

В 1985 году израильский ученый из Оксфорда Дэвид Дойч (р. 1953) разработал квантовую машину Тьюринга. Хотя по структуре эта машина похожа на предшественницу, глубинное различие между ними кроется в том, что вместо обработки нулей и единиц, то есть бит, машина Дойча оперирует кубитами (qbits). Если машина Тьюринга стала концептуальной базой современных компьютеров, то квантовая машина Тьюринга станет такой базой для компьютеров нового поколения. Хотя Алан Тьюринг не предлагал версии, основанной на принципах квантовой механики, в течение жизни его определенно интересовали идеи и основные достижения этого направления физики, объясняющего материю и энергию. Ученый начал заниматься квантовой механикой еще в школьные годы, после прочтения знаменитой книги Артура Эддингтона «Природа физического мира» ( The nature of the physical world, 1928), в которой рассказывалось о квантовой физике и общей теории относительности. Кроме этого, дружба с Кристофером Моркомом подтолкнула Тьюринга к занятиям разными научными дисциплинами, среди которых была и квантовая механика.

В будущее мы можем заглянуть только на короткий срок, но и этого достаточно, чтобы увидеть, сколь много еще должно быть сделано.

Алан Тьюринг. «Вычислительные машины и разум»

Несколько лет спустя ученый задался вопросом, можно ли какой-то аспект человеческого мозга, например волю, объяснить механизмами нейронных сетей. Его идеи были близки идеям других гениев эпохи, например Курта Гёделя: тот полагал, что на определенных этапах доказательства математической теоремы человек прибегает к интуиции, которая не может быть представлена в виде алгоритма и поэтому не может быть реализована с помощью машины Тьюринга. С тех пор некоторые ученые считали, что отдельные функции мозга могут быть объяснены только с точки зрения квантовых процессов в мозговых или нейронных клетках. В конце XX века британский физик Роджер Пенроуз (р. 1931) и американский врач Стюарт Хамерофф (р. 1947) высказали идею о том, что человеческая совесть может быть объяснена квантовыми процессами в структурах, сформированных белками, так называемых микротубулах, имеющихся в нейронах. Следовательно, феноменами квантовой механики могут быть объяснены не только воля, интуиция, совесть, но и способность человеческого мозга решать невычислимые задачи.

Эти рассуждения не могут не привести к поистине необычному выводу: на сегодняшний момент мозг человека представляет собой единственную машину, способную решать вычислимые и невычислимые задачи. К вычислимым задачам относятся такие, которые можно решить с использованием алгоритма, то есть с помощью универсальной машины Тьюринга, или компьютера. Второй тип задач невозможно представить в виде алгоритма и, следовательно, решить на компьютере. Например, мы можем написать программу для компьютера, которая, применив ряд Тейлора, распечатает нам все десятичные числа √2 или π:

π = 4(1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + ... + (-1)k • 1/(2k+1))

Однако не существует алгоритма, с помощью которого компьютер записал бы все десятичные числа других существующих чисел с бесконечной последовательностью знаков после запятой. Еще один пример невычислимой задачи — определение траектории электрона, движущегося из точки А в точку В. Простой опыт, с помощью которого можно доказать, что человеческий мозг способен практически мгновенно определить невычислимость задачи, состоит в том, чтобы попробовать найти два четных числа, сумма которых была бы нечетной. Через пару секунд, после нескольких попыток вычислений в уме, мы придем к выводу, что эта задача не имеет ответа, но невозможно написать программу для компьютера, способную прийти к такому же выводу. И дело здесь не в умениях программиста или длине программного кода.