Las reglas computacionales podrían describir la evolución del cosmos de manera más precisa que las ecuaciones dinámicas de la física, pero solo si se les incorpora un toque cuántico.
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El fallecimiento en junio del científico informático y físico estadounidense Edward Fredkin pasó en gran medida desapercibido, excepto por un obituario tardío en el New York Times. Sin embargo, a pesar de nunca llegar a convertirse en el nombre familiar que algunos de sus contemporáneos lograron, Fredkin tuvo una influencia desproporcionada en ambas disciplinas que abordó.
Todavía muchos se resisten a su afirmación central: que las leyes de la física, e incluso las del propio universo, son esencialmente el resultado de un algoritmo informático. Pero la «física digital» que el científico informático defendía ha pasado de ser algo inaceptable a casi convencional.
«En ese momento, se consideraba una idea completamente descabellada que la ciencia de la computación pudiera enseñarte algo sobre la física», dice Norman Margolus, quien fue colaborador de Fredkin durante mucho tiempo y su único estudiante de doctorado en física. «El mundo ha evolucionado desde entonces, ahora todo es muy respetable».
Computación reversible
A finales de la década de 1960, la inteligencia artificial todavía era en su mayoría un concepto teórico, empero, Fredkin fue uno de los primeros en comprender los desafíos políticos que plantean las máquinas capaces de aprender y tomar decisiones autónomas, incluida la seguridad nacional. Abogó por la colaboración internacional en la investigación de la inteligencia artificial, reconociendo que un consenso temprano sobre cómo debería usarse la tecnología evitaría problemas en el futuro. No obstante, los intentos de convocar una reunión internacional de los principales pensadores en el campo nunca se materializaron por completo, un fracaso que resuena hasta el día de hoy.
En 1974, Fredkin dejó el MIT y pasó un año como académico distinguido en Caltech, donde entabló amistad con los físicos Richard Feynman y Stephen Hawking. Luego aceptó un puesto como profesor titular en la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, Pensilvania, y más tarde un segundo puesto en la Universidad de Boston. Fue a partir de entonces que comenzó a trabajar en la computación reversible.
En ese momento, la computación reversible se consideraba ampliamente imposible. Una computadora digital convencional se ensambla a partir de una serie de compuertas lógicas, como AND, OR, XOR, etc., en las que generalmente dos entradas se convierten en una salida. La información de entrada se borra, produciendo calor, y el proceso no se puede revertir.
Edward Fredkin vio pocos límites a lo que la informática podría explicar. Crédito: Facultad de Ciencias de la Computación/Universidad Carnegie Mellon.
Junto con Margolus y un joven ingeniero eléctrico italiano, Tommaso Toffoli, Fredkin demostró que ciertas compuertas con tres entradas y tres salidas —que luego se conocieron como compuertas Fredkin y Toffoli— podrían organizarse de manera que todos los pasos intermedios de cualquier cálculo posible se pudieran preservar, permitiendo que el proceso se revirtiera al completarse. Según explicaron en un influyente artículo de 1982, una computadora construida con esas compuertas podría, al menos en teoría, no producir calor residual y, por lo tanto, no consumir energía.
Inicialmente, esto parecía ser solo una curiosidad. Fredkin pensaba que el concepto podría ayudar en el desarrollo de computadoras más eficientes con menos calor desperdiciado, pero no había una forma práctica de realizar completamente la idea utilizando computadoras clásicas. Sin embargo, en 1981, la historia tomó un nuevo rumbo cuando Fredkin y Toffoli organizaron el Simposio de Física de la Computación en el MIT. Feynman fue uno de los ilustres presentes. En una contribución ahora famosa, sugirió que, en lugar de tratar de simular fenómenos cuánticos con computadoras digitales convencionales, algunos sistemas físicos que exhiben comportamiento cuántico podrían ser mejores herramientas.
Este discurso se considera ampliamente como el inicio de la era de las computadoras cuánticas, que aprovechan todo el poder de la mecánica cuántica para resolver ciertos problemas —como el problema de la simulación cuántica al que Feynman se refería— mucho más rápido que cualquier computadora clásica. Cuatro décadas después, las pequeñas computadoras cuánticas están en desarrollo. La electrónica, los láseres y los sistemas de enfriamiento necesarios para hacerlas funcionar consumen mucha energía, pero las operaciones lógicas cuánticas en sí mismas son prácticamente sin pérdidas.
Física digital
La computación reversible «fue una condición esencial, en realidad, para poder concebir las computadoras cuánticas», afirma Seth Lloyd, un ingeniero mecánico del MIT que en 1993 desarrolló lo que se considera el primer concepto realizable de una computadora cuántica. Aunque el físico de IBM, Charles Bennett, también había producido modelos de una computación reversible, agrega Lloyd, fueron las versiones de cero disipación descritas por Fredkin, Toffoli y Margolus las que finalmente se convirtieron en los modelos sobre los cuales se construyó la computación cuántica.
En su artículo de 1982, Fredkin y Toffoli comenzaron a desarrollar su trabajo sobre la computación reversible en una dirección bastante diferente. Todo comenzó con una analogía aparentemente trivial: una mesa de billar. Mostraron cómo las operaciones matemáticas podrían representarse mediante interacciones de bolas de billar completamente reversibles, asumiendo una mesa sin fricción y bolas que interactúan sin fricción.
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Esta manifestación física del concepto reversible surgió de la idea de Toffoli de que los conceptos computacionales podrían ser una mejor forma de encapsular la física que las ecuaciones diferenciales convencionalmente utilizadas para describir el movimiento y el cambio.
Pero Fredkin llevó las cosas aún más lejos, concluyendo que todo el universo podría ser visto en realidad como una especie de computadora. En su opinión, era un «autómata celular»: una colección de bits computacionales, o celdas, que pueden cambiar de estado según un conjunto definido de reglas determinadas por los estados de las celdas que las rodean. Con el tiempo, estas reglas simples pueden dar lugar a todas las complejidades del cosmos, incluso la vida.
No fue el primero en jugar con tales ideas. Konrad Zuse, un ingeniero civil alemán que, antes de la Segunda Guerra Mundial, desarrolló una de las primeras computadoras programables, sugirió en su libro de 1969 Rechnender Raum (‘Calculando el Espacio’) que el universo podría verse como un autómata celular digital clásico. Fredkin y sus colaboradores desarrollaron el concepto con un enfoque intenso, pasando años buscando ejemplos de cómo reglas computacionales simples podrían generar todos los fenómenos asociados con las partículas subatómicas y las fuerzas.
Pero no todos quedaron impresionados. Margolus recuerda que el renombrado físico Philip Morrison, quien también estaba en la facultad del MIT en ese entonces, les dijo a los estudiantes de Fredkin que este era un científico de la computación, por lo que pensaba que el mundo era una gran computadora, «pero si hubiera sido un comerciante de queso, pensaría que el mundo era un gran queso». Cuando el científico de la computación británico Stephen Wolfram propuso ideas similares en su libro de 2002 A New Kind of Science, Fredkin reaccionó diciendo «Wolfram es la primera persona significativa en creer en esta cosa. He estado muy solo».
Aún así, en realidad, Wolfram no estaba solo en la exploración de estas ideas. Mientras que Fredkin inicialmente utilizó el término «física digital» y luego «filosofía digital», las variaciones modernas sobre el tema han utilizado términos como «pancomputacionalismo» y «digitalismo». Han sido defendidas por investigadores como el premio Nobel de física holandés Gerard ‘t Hooft y el físico estadounidense John Wheeler, cuyo famoso dicho «it from bit» (‘eso desde el bit’) es una expresión concisa de la hipótesis.
En el reino cuántico
Algunos, incluido Margolus, han seguido desarrollando la versión clásica de la teoría. Otros han concluido que un modelo computacional clásico no podría ser responsable de las complejidades del universo que observamos. Según Lloyd, la teoría original del universo digital de Fredkin tiene «obstáculos muy serios para que un universo digital clásico pueda comprender los fenómenos de la mecánica cuántica».
Por otro lado, si cambiamos las reglas computacionales clásicas de la física digital de Fredkin por reglas cuánticas, muchos de esos problemas desaparecen. Se pueden capturar características intrínsecas de un universo cuántico —como el entrelazamiento entre dos estados cuánticos separados en el espacio— de una manera que una teoría basada en ideas clásicas no puede.
Lloyd promulgó esta idea en una serie de artículos a partir de la década de 1990, así como en un libro de 2006 titulado Programming the Universe (‘Programando el Universo’). Culminó en una explicación completa de cómo las reglas de la computación cuántica podrían dar cuenta de las leyes conocidas de la física —la teoría de partículas elementales, el modelo estándar de la física de partículas y tal vez incluso el Santo Grial de la física fundamental: una teoría cuántica de la gravedad—.
Diferencias con la hipótesis de la simulación
Estas propuestas son muy distintas de la idea más reciente de que vivimos en una simulación informática, impulsada por el filósofo sueco Nick Bostrom en la Universidad de Oxford, entre otros.
Mientras que el universo digital postula que las condiciones iniciales básicas y las reglas del universo computacional surgieron de manera natural —similar a cómo las partículas y las fuerzas de la física tradicional surgieron de manera natural en el Big Bang y sus consecuencias—, la hipótesis de la simulación postula que el universo fue construido deliberadamente por algunos programadores alienígenas altamente avanzados e inteligentes, tal vez como algún tipo de gran experimento, o incluso como un tipo de juego, un esfuerzo increíblemente elaborado en opinión de Lloyd.
La idea básica de un universo digital podría ser puesta a prueba. Para que el cosmos haya sido producido por un sistema de bits de datos a la minúscula escala de Planck —una escala en la que se espera que las teorías actuales de la física colapsen—, el espacio y el tiempo deben estar compuestos por entidades discretas y cuantizadas. El efecto de un espacio-tiempo granular podría manifestarse en pequeñas diferencias, por ejemplo, en cuánto tiempo tarda la luz de varias frecuencias en propagarse a través de miles de millones de años luz.
En consecuencia, para comprender completamente la idea, probablemente se necesite una teoría cuántica de la gravedad que establezca la relación entre los efectos de la teoría general de la relatividad de Einstein a escala macro y los efectos cuánticos a escala micro. Esto ha eludido hasta ahora a los teóricos. Y es justamente aquí que la noción de un universo digital podría aportar algo.
Así, las rutas preferidas hacia las teorías cuánticas de la gravitación están comenzando a parecer más de naturaleza computacional, por ejemplo, el principio holográfico introducido por ‘t Hooft, que sostiene que nuestro mundo es una proyección de una realidad de menor dimensión.
«Parece esperanzador que estas ideas del universo cuántico digital puedan arrojar algo de luz sobre algunos de estos misterios», concluye Lloyd.
Por David L. Chandler, Nature, 2023. Edición: MP.
¿Podría ser el universo una gigantesca computadora cuántica?