블랙홀 컴퓨터
Seth Lloyd와 Y.Jack NG 시대에 뒤처지지 않기 위해 연구자들은 물리학 법칙을 컴퓨터 프로그램으로, 우주를 컴퓨터로 생각할 수 있습니다. 블랙홀 컴퓨터는 환상적으로 들릴 수도 있지만, 우주론과 기초 물리학 연구자들은 이것이 유용한 개념적 도구임을 입증하고 있습니다. 물리학자들이 입자 가속기에서 블랙홀을 생성할 수 있다면(몇몇 예측에서는 10년 내에 가능하다고 말함) 실제로 블랙홀이 작동하는 모습을 관찰할 수도 있습니다.
컴퓨터와 우주의 블랙홀에는 차이가 있나요? 언뜻 보면 이 질문은 Microsoft 농담의 첫 줄처럼 들립니다. 그러나 그것은 오늘날 물리학에서 가장 심오한 문제 중 하나입니다. 대부분의 사람들은 컴퓨터를 전문화된 새로운 발명품, 즉 유선형 데스크탑 케이스나 커피포트에 들어있는 손톱 크기의 칩으로 생각합니다. 물리학자에게 모든 자연 시스템은 컴퓨터입니다. 암석, 원자폭탄, 은하계는 Linux 프로그램을 실행하지 못할 수도 있지만 정보를 기록하고 처리하기도 합니다. 각 전자, 광자 및 기타 기본 입자는 약간의 데이터를 저장합니다. 자연과 정보는 서로 얽혀 있으며 프린스턴 대학의 물리학자인 존 휠러(John Wheeler)가 말했듯이 "그것은 비트에서 비롯됩니다."
블랙홀은 경험 법칙에서 예외처럼 보일 수 있지만 정보를 공급하는 데 어려움은 없습니다. 블랙홀에. 그러나 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 블랙홀에서 정보를 추출하는 것은 불가능합니다. 블랙홀에 들어가는 물질은 균질화되고 그 구성과 세부 사항은 회복 불가능하게 손실됩니다. 1970년대 영국 케임브리지 대학교의 스티븐 호킹(Stephen Hawking)은 양자역학을 고려할 때 블랙홀이 뜨거운 석탄처럼 타는 출력을 갖는다는 것을 보여주었습니다. 그러나 호킹의 분석에 따르면 이 방사선은 혼란스럽고 무작위적입니다. 코끼리가 그 안에 떨어지면 코끼리의 에너지가 새어 나오겠지만 그것은 에너지의 뒤죽박죽이 될 것입니다. 그것은 (원칙적으로도) 이용될 수 없으며, 코끼리를 재생산할 수도 없습니다.
양자역학의 법칙이 정보를 보존하기 때문에, 정보의 명백한 손실은 일련의 어려운 문제를 야기합니다. 스탠포드 대학의 레너드 서스킨드(Leonard Susskind), 캘리포니아 공과대학의 존 프리스킬(John Preskill), 네덜란드 위트레흐트 대학의 제라드 후프트(Gerard't Hooft) 등 다른 과학자들은 방출되는 방사선이 실제로 무작위가 아니라 가공된 형태라고 주장한다. 블랙홀에 빠지는 물질. 2004년 여름까지 호킹은 블랙홀도 계산을 하고 있다는 그들의 견해에 동의하게 되었습니다.
블랙홀은 단순히 우주의 정보를 등록하고 처리하는 보편적 원리의 가장 큰 특수 사례입니다. 원리 자체는 새로운 것이 아닙니다. 19세기에 통계역학의 창시자들은 열역학 법칙을 설명하기 위해 정보 이론으로 알려진 것을 발전시켰습니다. 언뜻 보면 열역학과 정보 이론은 서로 다른 두 가지 범주입니다. 하나는 증기 엔진을 설명하는 데 사용되고 다른 하나는 통신을 최적화합니다. 그러나 열역학 양인 엔트로피는 증기 엔진이 유용한 작업을 수행하는 능력을 제한하며 엔트로피는 비례합니다. 물질의 에너지 양. 분자의 위치와 속도에 의해 기록되는 비트 수. 20세기 양자역학은 이 발견을 견고한 정량적 기반 위에 올려 놓았고 과학자들에게 양자 정보에 대한 놀라운 개념을 제공했습니다. 우주를 구성하는 비트값은 양자비트(Quantum Bit), 즉 '큐비트(qubit)'로 일반 비트보다 훨씬 풍부한 속성을 갖고 있다.
비트와 바이트의 도움으로 우주를 분석하는 것은 힘과 에너지에 대한 기존의 분석을 대체할 수는 없지만 놀라운 새로운 사실을 많이 밝혀냈습니다. 예를 들어, 통계 역학 분야에서 "맥스웰의 악마"로 알려진 역설, 즉 영구 운동 기계의 존재를 허용하는 것처럼 보이는 역설을 풀어줍니다. 최근 몇 년 동안 우리와 다른 물리학자들은 블랙홀의 본질, 시공간의 미세한 구조, 우주의 암흑 물질의 거동 및 일부 극단적인 법칙과 같은 동일한 통찰력으로 우주론과 기초 물리학을 살펴왔습니다. 자연의. 우주는 단순한 거대한 컴퓨터가 아니라 거대한 양자컴퓨터인데, 이탈리아 파도바대학교 물리학자 파올라 지지(Paola Zizzi)는 “그것은 큐비트에서 나온다.
”
기가비트는 너무 느립니다
물리학과 정보 이론(양자 역학의 중심 원리에서 파생됨)이 수렴됩니다. 결국 이산성은 자연 시스템이 사용할 수 있는 특성입니다. 유한한 수의 비트 값. 시스템 내에서 각 입자는 컴퓨터 논리 게이트처럼 동작합니다. 해당 회전 "축"은 두 방향 중 하나를 가리킬 수 있으므로 간단한 계산 작업을 수행할 수 있습니다. >
이 시스템은 시간에 있어서도 이산적입니다. 비트를 전달하는 데 걸리는 시간의 정확한 크기는 정보 처리 물리학의 두 선구자, 즉 MIT의 Normam Margolus와 Boston University의 Lev Levitin의 이름을 따서 명명되었습니다. 정리는 하이젠베르크의 불확정성 원리와 연관되어 있으며, 준원리는 위치와 운동량 또는 시간과 에너지와 같은 관련된 두 가지 물리량을 측정할 때 내재된 상충 관계를 설명하며, 이는 비트를 전송하는 데 걸리는 시간이 에너지에 따라 달라짐을 나타냅니다. E를 적용하면 시간이 더 짧아질 수 있습니다. 수학적 표현은 T≥h/4E입니다. 여기서 h는 플랑크 상수(양자 이론의 주요 매개변수)입니다. 예를 들어 실험용 양자 컴퓨터의 한 유형은 양성자를 사용합니다. , 그리고 자기장은 각 비트 값을 뒤집는 데 사용됩니다. 이러한 작업은 Margolus-Levitin 정리에서 허용하는 최소 시간 내에 발생합니다.
이 정리를 통해 추론할 수 있습니다. 공간과 시간의 기하학적 한계를 포함하여 우주의 계산 능력을 포함한 수많은 결론 미리보기로 일반 물질(이 경우 1kg의 물질이 1kg을 차지함)의 계산 능력의 한계를 고려하십시오.
배터리 에너지는 아인슈타인의 유명한 공식 E=mc*2를 통해 직접 에너지로 변환되는 물질 자체입니다. 비트가 반전되면 컴퓨터는 10*51번의 작업을 수행할 수 있습니다. 에너지가 감소하면 컴퓨터의 저장 용량은 열역학을 사용하여 계산할 수 있습니다. 1리터의 에너지로 변환하면 온도는 10억 켈빈입니다. 엔트로피는 에너지를 온도로 나눈 값으로 10*31비트의 정보를 저장합니다. , 그래서 열역학 법칙이 허용하는 모든 정보가 사용됩니다. 익스트림 컴퓨팅
이것은 아무리 정확하더라도 놀라울 정도로 복잡한 질문입니다. 사람들이 일반적으로 "컴퓨터"라고 부르는 것뿐만 아니라, 입력과 출력이 인간에게 이해되지 않는 형태일지라도 광범위한 논리적, 수학적 문제를 해결할 수 있는 세상의 모든 개체입니다. 본질적으로 디지털입니다. 기본 입자의 스핀과 같은 개별 양자 상태로 데이터를 저장합니다. 그들의 지침 세트는 양자 물리학입니다.
입자가 상호 작용할 때마다 서로의 방향이 반전됩니다. 이 프로세스는 C 또는 Java와 같은 프로그래밍 언어의 도움으로 상상할 수 있습니다. 입자는 변수이고 상호 작용은 추가와 같은 작업입니다. 각 정보 비트는 초당 10*20회 뒤집힐 수 있으며 이는 100GGHz의 클럭 속도에 해당합니다. 실제로 시스템은 중앙 시계로 제어하기에는 너무 빨리 변경됩니다. 디지털 비트를 뒤집는 데 걸리는 시간은 한 숫자에서 인접한 숫자로 신호를 전송하는 데 걸리는 시간과 거의 같습니다. 따라서 초소형 휴대용 컴퓨터는 병렬성이 뛰어납니다. 단일 프로세서처럼 작동하지 않고 여러 프로세서로 구성된 거대한 배열처럼 작동합니다. 각 프로세서는 거의 독립적으로 작동하며 상대적으로 느린 프로세서의 다른 프로세서로 작업 결과를 보냅니다. .
비교하자면 기존 컴퓨터는 정보 비트를 초당 약 10*9회 뒤집고 약 10*12비트의 정보를 저장하며 단일 프로세서만 포함합니다. 무어의 법칙이 유지된다면, 여러분의 후손들은 23세기 중반까지 고성능 휴대용 컴퓨터를 구입할 수 있을 것입니다. 엔지니어들은 태양의 핵보다 더 뜨거운 플라즈마에서 입자 상호 작용을 정밀하게 제어하는 방법을 찾을 것이며 컴퓨터 제어 및 오류 수정은 통신 대역폭의 대부분을 소비하게 될 것입니다. 엔지니어는 일부 노드 패키징 문제를 해결했을 수도 있습니다.
어떤 의미에서는 적합한 사람을 식별하면 실제로 그러한 장치를 구입할 수 있습니다. 1kg의 물질이 완전히 에너지로 변환됩니다. 이것이 20메가톤 수소폭탄의 실제 정의입니다. 폭발하는 핵무기는 막대한 양의 정보를 처리하고 있으며 초기 구조는 입력을 제공하고 방사선은 출력을 제공합니다.
나노기술에서 반도체기술까지*
어떤 물질이라도 컴퓨터라고 할 수 있다면 블랙홀은 바로 가장 작은 크기로 압축된 컴퓨터이다. 컴퓨터가 작아지면 구성 요소 간의 상호 매력이 증가하여 결국에는 아무것도 빠져나갈 수 없을 정도로 커집니다. 블랙홀의 크기(슈바르츠실트 반경이라고 함)는 질량에 비례합니다.
질량이 1kg인 블랙홀의 반경은 약 10*-27미터(양성자의 반경은 10*-15미터)입니다. 압축된 컴퓨터는 에너지 함량을 변경하지 않으므로 이전과 동일하게 초당 10*51 작업을 수행할 수 있습니다. 변경된 것은 저장 용량뿐입니다. 중력이 무시할 수 있을 정도로 작을 때 총 저장 용량은 입자 수와 부피에 비례합니다. 중력이 지배하면 입자가 서로 연결되므로 전체적으로 더 적은 양의 정보를 저장할 수 있습니다. 블랙홀의 총 저장 용량은 표면적에 비례합니다. 1970년대 호킹과 이스라엘 히브리대학의 제이콥 베켄슈타인은 질량 1kg의 블랙홀이 압축 전보다 훨씬 적은 약 10*16비트의 정보를 기록할 수 있다고 계산했다.
블랙홀은 더 적은 정보를 저장하기 때문에 훨씬 더 빠른 프로세서입니다. 1비트를 전송하는 데 걸리는 시간은 10*-35초이며, 이는 빛이 컴퓨터의 한 쪽에서 다른 쪽으로 이동하는 데 걸리는 시간과 같습니다. 따라서 고도로 병렬화된 익스트림 휴대용 컴퓨터에 비해 블랙홀은 단일 장치처럼 동작하는 직렬 컴퓨터입니다.
블랙홀 컴퓨터는 실제로 어떻게 작동할까요? 입력은 간단합니다. 데이터를 물질이나 에너지 형태로 인코딩하여 블랙홀에 넣기만 하면 됩니다. 블랙홀에 던져지는 물질을 적절하게 준비함으로써 해커는 필요한 모든 계산을 수행하도록 블랙홀을 프로그래밍할 수 있습니다. 물질이 블랙홀에 들어가면 영원히 사라지게 됩니다. 소위 "사건의 지평선"은 물질이 결코 되돌아오지 않는 선을 표시합니다. 수직으로 떨어지는 입자들은 서로 상호 작용하여 블랙홀 중심에 도달하기까지 유한한 시간 동안 작업을 수행합니다. 이 중심은 입자가 더 이상 존재하지 않는 중력 특이점입니다. 물질이 특이점에서 함께 압착될 때 정확히 무슨 일이 일어나는지는 아직 알려지지 않은 양자 중력의 세부 사항에 따라 달라집니다.
블랙홀 컴퓨터의 출력은 호킹 복사의 형태를 취합니다. 1kg의 질량을 가진 블랙홀이 호킹 복사를 방출한다면 복사 에너지를 유지하기 위해 그 질량은 10*-21초 내에 급속히 붕괴되어 완전히 사라질 것입니다. 방사선의 최고 파장은 블랙홀의 반경과 동일하며, 질량이 1kg인 블랙홀의 경우 극도로 강한 감마선의 파장과 같습니다. 입자 탐지기는 사람이 사용할 수 있도록 이 방사선을 포착하고 해독할 수 있습니다.
호킹의 블랙홀 복사에 대한 연구는 그의 이름을 이 복사와 연결시켰습니다. 그는 블랙홀에서 벗어날 수 있는 것은 아무것도 없다는 통념을 뒤집었다. 블랙홀의 복사 속도는 크기에 반비례하므로 은하 중심에 있는 블랙홀과 같은 대형 블랙홀은 물질을 삼키는 것보다 훨씬 더 천천히 에너지를 잃습니다. 그러나 미래에는 실험자들이 입자 가속기 내부에 방사선을 폭발시키면서 폭발하는 작은 블랙홀을 만들 수도 있습니다. 블랙홀은 고정된 물체가 아니라 가능한 최대 속도로 작업을 수행하는 일시적인 물질 집합으로 생각할 수 있습니다.
사진:
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