Boeken

Monday, June 28, 2010

Het universum als kolossale kwantumcomputer

Volgens natuurkundige Seth Lloyd is het heelal zelf een computer, en zelfs een kwantumcomputer. Dat klinkt bizar. Je kunt het heelal toch niet met een muis en een toetsenbord bedienen? Nee, dat niet, maar Lloyd denkt dat dit idee verklaart waarom het heelal zo complex is, en dat het inzicht kan geven in de mysteries van donkere materie, donkere energie en zwarte gaten.



[Dit artikel heb ik eerder geschreven voor het maandblad KIJK van mei 2008. Met toestemming heb ik het hieronder overgenomen.]

In 1993 was de Amerikaan Seth Lloyd een van de eersten die ontdekte hoe je in principe een kwantumcomputer kunt bouwen: een computer die de bizarre eigenschappen van de kwantummechanica gebruikt om rekenproblemen op te lossen die geen enkele gewone computer kan oplossen. Dat komt omdat de bits in huidige computers alleen maar 0 of 1 kunnen zien, terwijl kwantumbits tegelijk 0 en 1 kunnen zijn. Onbegrijpelijk, maar waar.

Een paar jaar later bouwde hij ook een babyversie van wat ooit een echte kwantumcomputer moet worden. Het ding bestaat maar uit enkele kwantumbits en kan minder dan een telraam, maar in principe is een volwassen kwantumcomputer mogelijk. Alleen we zijn er zeker nog decennia van vandaan.

Al nadenkend over welke natuurkundige systemen hij zou kunnen gebruiken om een kwantumcomputer te bouwen, ontdekte hij in de afgelopen jaren dat het heelal zelf eigenlijk een kolossale kwantumcomputer is. Lloyd is hoogleraar aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de Verenigde Staten. In zijn werkkamer, op een steenworp afstand van het lab waar hij een kwantumcomputer probeert te bouwen, legt hij zijn bizar klinkende idee uit.
“Misschien zeg je: Lloyd bouwt een kwantumcomputer, en nu denkt hij dat alles een kwantumcomputer is. Dat is een gezond wantrouwen. Maar toch kan ik uitleggen waarom het idee veel meer is dan beeldspraak.”

Toenemende chaos
Het basisidee dat het heelal informatie verwerkt, gaat al terug tot het eind van de 19e eeuw, zo legt Lloyd uit. Het idee komt direct voort uit het berekenen van het rendement van een stoommachine. Er gaat energie de machine in, en er komt energie uit. Als je die energieomzetting in getallen wilt uitdrukken, blijkt het begrip ‘entropie’ een belangrijke rol te spelen. De entropie van een systeem is een maat voor zijn wanorde: hoe meer wanorde, hoe hoger de entropie.

Natuurkundigen lieten destijds zien dat je entropie in een formule kunt uitdrukken, die aangeeft in hoeveel toestanden een systeem zich kan bevinden. Ze lieten ook zien dat als je een willekeurig systeem aan zichzelf overlaat, de wanorde toeneemt. Als je je kamer niet af en toe opruimt, dan wordt het na een tijdje vanzelf een chaos. En ook in het heelal als geheel neemt de entropie steeds toe.

Toen computerpioniers in de 20e eeuw gingen nadenken over een machine die informatie in de vorm van nullen en enen verwerkt, ontdekten ze dat de formule die de entropie van een systeem berekent, ook de formule is die de hoeveelheid informatie voorstelt. Entropie is informatie!

Rekent het heelal dan ook met nullen en enen? Ja, verklaart Lloyd. En dat komt door de kwantummechanica. Kwantummechanica laat zien dat de natuur zich op de schaal van moleculen, atomen en elementaire deeltjes niet langer analoog gedraagt, maar digitaal. Zo kan de energie van een atoom niet zomaar een willekeurige waarde aannemen, maar alleen maar een paar mogelijke waarden. En de draaiing van een elektron – de spin – kan alleen maar de ene kant of de andere kant op wijzen: óf omhoog (1), óf omlaag (0).

De hoogleraar quantum mechanical engineering vertelt met een aanstekelijk enthousiasme: “En dus kun je het heelal opgebouwd zien uit bits. Elk molecuul, elk atoom en elk elementair deeltje stelt een hoeveelheid informatie voor die je in nullen en enen kunt uitdrukken. De natuurwetten zijn dan het computerprogramma dat vertelt hoe bits van 0 naar 1 omklappen of omgekeerd. Als atomen en moleculen botsen, dan veranderen de bits. Het is alsof er een berekening wordt uitgevoerd. De uitkomst van die heelalberekening is alles wat we om ons heen zien: de sterren, de aarde, het leven op aarde en ook de computers die we bouwen. Het heelal berekent zichzelf.”

De 19e eeuw heeft laten zien dat het heelal informatie verwerkt. En de 20e eeuw heeft laten zien dat het heelal op het kleinste niveau digitaal is. “En dus,” concludeert een giechelende Lloyd, “kun je het heelal zien als een kolossale kwantumcomputer.”

So what? De beste beschrijving die we van de natuur hebben, is het Standaardmodel. Dat beschrijft alle vier de natuurkrachten en alle elementaire deeltjes. Dat model klopt ongelofelijk precies met alle experimenten die tot op heden zijn gedaan. Wat kan Lloyd’s idee van het heelal als kwantumcomputer daar dan nog aan toevoegen?

“Dat is de terechte so-what?-vraag”, zegt Lloyd. “Meestal is het handiger het heelal te beschrijven zoals we dat nu doen: in termen van energie en krachten tussen deeltjes. Het Standaardmodel is de software van het heelal. Maar voor sommige problemen kan het handig zijn om ze te beschrijven in bits en bytes.” Sinds hij op de middelbare school voor het eerst kennismaakte met de natuurkunde, vroeg hij zich af hoe het heelal zo complex kan zijn, terwijl de natuurwetten relatief eenvoudig zijn en terwijl ook de begintoestand van het heelal heel eenvoudig moet zijn geweest.

“Als elk elementair deeltje in het heelal een aap zou zijn, die volledig willekeurig op een toetsenbord tikt, wat is dan de kans dat al die apen na 13,7 miljard jaar – de leeftijd van ons heelal – de volledige tekst van Shakespeare’s Hamlet hebben ingetikt? Die kans is vrijwel nul. Verder dan ‘to be or not to be, that’s the q….’, zouden de apen niet zijn gekomen, zo kun je uitrekenen. Maar stel nu, dat je dat wat de apen willekeurig intikken, niet uitprint als tekst, maar als een computerprogramma aan een computer geeft. Dan vind je iets interessants. Vaak produceren de apen niets interessants. Maar de kans is redelijk dat ze af en toe een kort programma tikken dat de computer begrijpt en dat complexe structuren produceert. We weten namelijk dat eenvoudige computerprogramma’s de decimalen van π kunnen genereren, of complex uitziende fractals. Door het heelal als computer op te vatten, kun je laten zien dat simpele natuurwetten en een simpele begintoestand al snel een heel gecompliceerd heelal leveren. Door alleen naar de natuurwetten te kijken, zie je dat niet.”

Het heelal bestaat natuurlijk niet uit willekeurig tikkende apen, maar wel uit kwantummechanische processen. Die zorgen voor de willekeurige productie van bits waarmee de heelalcomputer wordt gevoed. Die willekeur wordt versterkt door de heelalsoftware, de natuurwetten. Lloyd: “In feite is het heelal in de huidige toestand vanwege toevallige kwantumgebeurtenissen net na de geboorte van ons heelal. Elk detail in de wereld, de cellen in ons lichaam, de bomen die je vanuit deze kamer ziet, zijn het gevolg van kwantumtoevalligheden. Die toevalligheden programmeren ons heelal.”

Heelalmysteries
Uit de geschatte hoeveelheid energie die het heelal bevat, heeft Lloyd berekend dat het heelal sinds de Big Bang ongeveer 10^123 rekenoperaties heeft uitgevoerd, ofwel een 1 gevolgd door 123 nullen. Het aantal bits in het heelal schat de Amerikaan op 10^92. Maar ook hier kun je de vraag stellen: ‘nou en?’

Slechts 4% van het heelal bestaat uit de gewone materie die wij om ons heen zien. 23% bestaat uit een soort materie die we niet direct kunnen zien: donkere materie. En de overige 73% van het heelal bestaat uit donkere energie. Zowel donkere energie en donkere materie zijn grote mysteries. Niemand weet nog wat dat voor spul is. Lloyd kan zijn informatietheorie loslaten op die mysteries, en uitrekenen hoeveel rekenoperaties ze per seconde uitvoeren. Lloyd: “Dan blijkt dat, wat donkere energie ook moge zijn, het spul draagt nauwelijks bij aan de berekeningen die het heelal uitvoert. De bits veranderen ongelofelijk langzaam. Dat vertelt ons meer over donkere materie dan we alleen uit het toepassen van de gewone natuurwetten leren.”

De spannendste toepassing van Lloyd’s theorie zit in de zoektocht naar het verenigen van de wereld van het allerkleinste (kwantummechanica) met de wereld van het allergrootste (zwaartekracht). Dat is de heilige graal voor natuurkundigen. Lloyd: “Mijn theorie lost dat niet op, maar doet wel een relevante voorspelling: satellieten die de kosmische achtergrondstraling van het heelal meten, zouden een bijzondere fluctuatie in die achtergrondstraling moeten vinden. En dat kan de komende jaren al gebeuren. Mijn theorie kun je experimenteel testen, en dat is al een prestatie op zich, want dat is de snaartheorie – de theorie die zegt dat de kleinste deeltjes eigenlijk trillende snaartjes zijn – in twintig jaar tijd nog nooit gelukt.”


[kader:] De zwart-gat-computer

In een zwart gat is de zwaartekracht zo sterk dat zelfs licht er niet meer uit kan ontsnappen. Daarom kunnen we zwarte gaten niet direct zien. Maar het zwarte gat trekt zo sterk aan alle spul in zijn omgeving, dat het een nabije ster kan leegzuigen. Terwijl de materie in het zwarte gat valt, gaat de materie stralen, en die straling kunnen sterrenkundigen wel waarnemen.
In 1975 liet Stephen Hawking zien dat een zwart gat toch niet helemaal zwart is. Volgens de kwantummechanica kunnen er deeltjes uit ontsnappen: hawkingstraling. Door het uitzenden van die straling, verdampt het zwarte gat langzaam. Hawking dacht dat er geen informatie meer in zit. De laatste jaren hebben natuurkundigen echter aanwijzingen gekregen dat die hawkingstraling wel degelijk informatie bevat.

Het is alsof het zwarte gat als een echte computer werkt. Het spul dat erin valt, voedt het zwarte gat met informatie. Het zwarte gat slaat als het ware aan het rekenen, en via de hawkingstraling geeft het de uitkomst van die berekening prijs. Probleem is alleen dat natuurkundigen nog totaal niet begrijpen hoe dit werkt. Seth Lloyd probeert met zijn informatietheorie ook de zwart-gat-computer beter te begrijpen. Aan de Universiteit Utrecht probeert Nobelprijswinnaar Gerard ’t Hooft hetzelfde met zijn eigen theorie van het heelal als informatieverwerkende machine.

Internet
Seth Lloyd vertelt over zijn kwantumcomputer op YouTube