Quanteninformationstheorie II: Ein Kran für alle Fälle

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Seth LloydZweiter Teil eines Essays von Jan Magnus Kurz, Mitglied der Gruppe Initiative Humanismus.  

Was wir nun bislang kennengelernt haben sind sowohl die Dynamik, als auch dieEnergetik der fruchtbaren Kooperation zwischen Gravitation und Quantenzufall. Im metaphorischen Sinne lässt sich der intrinsische Quantenzufall durchaus als Äquivalent zur darwinschen Variabilität interpretieren, während der Effekt der Naturkräfte eine ähnliche Rolle wie Selektion verkörpert.Um herauszufinden ob auch ein universeller Mechanismus existiert, der die Aufgabe der Mutation übernehmen könnte und wie dieser aussieht, müssen wir uns die oben geschilderte Entwicklung auf informationstheoretischer Grundlage ansehen, die es ermöglicht beide Aspekte gemeinsam zu beschreiben.

Bis Mitte des 20. Jahrhunderts ging man davon aus, dass sich komplexe Dinge gerade dadurch auszeichnen, dass sie sich in keiner Weise quantitativ messen lassen. Von Komplexität sprach man genau dann, wenn sich keinerlei Überblick in einer Sache bewahren ließ – zumindest bis der russisch-amerikanische Physiker Ray Solomonoff beschloss eine mathematische Theorie von Occam´s Razor zu entwickeln. Dem mittelalterlichen Philosophen William of Occam war daran gelegen im Rahmen der Wissenschaftstheorie stets die einfachste und müheloseste Erklärung eines Sachverhalts zum Erkenntnisgewinn vorzuziehen oder in anderen Worten: die Dinge nicht unnötig kompliziert zu machen.Dieses Rasiermesser zerschneidet quasi komplexe Erklärungen, indem einfacheren Beschreibungen a priori eine höhere Plausibilität eingeräumt wird. Für eine mathematische Formulierung verwendete Solomonoff den Begriff der algorithmischen Information. Der Informationsgehalt, respektive die Komplexität eines Objektes ist genau so groß, wie das kürzeste Programm, das dieses Objekt vollständig beschreibt (und damit erschafft). Unter allen zur Erstellung in Frage kommenden Programmen besitzt das kürzeste die größte Wahrscheinlichkeit für die Herstellung des Objektes. Was bedeutet das praktisch?

Dass die Komplexität der Welt kein reiner Zufall sein kann, wird seit Menschengedenken behauptet. Der französische Mathematiker Emile Borel hat dies 1909 mit einem imposanten Gedankenexperiment illustriert. Angenommen, Affen würden zufällig auf der Tastatur einer Schreibmaschine tippen: Wie lange bräuchten sie, um zufällig den „Hamlet" von William Shakespeare hervorzubringen? Die aktuelle Antwort ist ernüchternd: Selbst für die ersten 20 Buchstaben wären schon eine Trillion Affen nötig, die auf ebenso vielen Schreibmaschinen seit dem Urknall herumhacken. Die Wahrscheinlichkeit einer zufällig richtigen Zeichenfolge ist geringer als die von vier Lotto-Jackpot-Gewinnen in Folge.Zufällig kann „Hamlet" also nicht entstanden sein, dazu bedurfte es der Rechenleistung des Gehirnes eines Shakespeare, der freilich ebenfalls nicht rein zufällig im Universum entstanden ist. Die Kombination aus sehr kleinen Wahrscheinlichkeiten und dem begrenzten Alter und Ausmaß unseres Universums macht es unmöglich, dass die Ordnung und Struktur unseres Kosmos rein zufällig entstanden sind.

Aber was würde geschehen, wenn die Affen nicht auf eine Schreibmaschine tippen, sondern stattdessen Befehle in ein Computerprogramm eingeben? Der Unterschied zwischen Computer und Schreibmaschine liegt allein darin, dass erstere alle Eingaben ungefiltert übernimmt und auf Papier bringt, während ein Computerprogramm die eingegebenen Symbole aktiv interpretiert und verarbeitet. Trotz ihrer hinlänglich bekannten, beinahe unerschöpflichen Fähigkeiten sind Computer im informationstheoretischen Sinne sehr einfache Maschinen, welche all ihre Fähigkeiten der Informationsumwandlung aus einfachen Logikoperationen ihrer Schaltkreise schöpfen. Bei klassischen Computern sind das [AND],[OR],[NOT] und [COPY], bei Quantencomputern, zu denen im physikalischen Sinne auch unser Universum gehört – und genau das ist der springende Punkt bei diesen Ausführungen – noch eine Handvoll mehr. Alles was sie tun ist eingegebene Information nach simplen Regeln umzuformen und verändert auszugeben. Was passiert also wenn der Computer versucht die eingegebenen Informationen der Affen auszuführen? Meistens gar nichts, außer dem Aufleuchten einer Fehlermeldung nach dem Motto: Unsinn rein, Unsinn raus – aber eben nicht immer. Denn auch wenn das meiste genauso unbrauchbar ist wie der Kokolores aus der Schreibmaschine, so haben manche ganz kurze Eingabecodes nach der Verarbeitung ein interessantes Ergebnis. Das wichtige hierbei: dadurch, dass diese Programmbefehle sehr kurz und einfach sind, ist die Wahrscheinlichkeit ihrer Entstehung durch zufällige Eingabe nach Solomonoff entsprechend hoch. Beispielsweise bewegen schon wenige Zeilen Code den Computer dazu, alle Nachkommastellen von Pi zu berechnen. Ein anderes kurzes Programm befiehlt die Bildung atemberaubender Fraktale oder die Simulation des Standardmodells der Elementarteilchen, des Urknalls, oder chemischer Bindungen. Ein anderer Eingabebefehl beweist in der Ausführung alle mathematischen Theoreme (soweit eben möglich).

Wie sie an dieser Stelle längst erkannt haben werden, handelt es sich bei der Analogie der Affen um nichts anderes als den intrinsischen Quantenzufall selbst, dem alle Energie und Materie unterliegen. Die „Programmiersprache“ des kosmischen Computers (keine Schreibmaschine!) ist die Gesamtheit unserer fundamentalen Naturgesetze und der Quantencomputer, auf dem sie „installiert“ sind, ist natürlich das Universum selbst, welches im „ontologischen Keller der Realität“ (Planck-Zeit und Planck-Raum) einfache Quanten-Logik-Operationen durchführt. Lloyd und einige andere Physiker am MIT und dem Perimeter Institut Kanada, sowie beteiligter Institutionen entwickeln derzeit neben der technischen Umsetzung leistungsstarker Quantencomputer Theorien, wie sich aus Quanten-Logik-Operationen auf Planck-Ebene eine „Theorie für Alles“ systematisch herleiten und entwickeln lässt. Die Rechengeschwindigkeit des Kosmos ist mit 10122 Operationen pro Sekunde übrigens unermesslich groß, ebenso die Anzahl seiner Speicherbausteine, den Elementarteilchen mit 1092 Bit. Zum Vergleich rechneten alle Computer auf der Erde (ca. 1. Mrd. Stück) im Jahr 2007 nur mit einer Geschwindigkeit von 1032ops und haben bislang insgesamt lediglich 1021 Bit registriert. Sie verkörpern eben auch nur einen fast infinitesimal winzigen Teil des Kosmos, daher verwundert das sicher nicht. Ein (Quanten)-computer mit exakt der gleichen Rechenleistung und Speicherkapazität wie das Universum, müsste die gleiche Masse, Volumen, Energie und Information wie das Universum beinhalten und genauso alt sein. Bereits per Definition ist er damit das Universum selbst.

Der intrinsische Zufall versorgt das Universum mit Informationsinput in Form einzelner Bits durch Quantenfluktuationen und programmiert so die Struktur und Ordnung des Kosmos, wie die Position und Eigenschaften von Galaxienhaufen, Planeten, Molekülen und Mutationen in einerDNA-Base. Der Computer, in den die Eingabecodes aufgespielt werden ist das Universum selbst. Sein „Betriebssystem“, seine „Software“, sind die Naturgesetze. Einfache Regeln, die aus den Schaltkreisen des kosmischen Quantencomputers automatisch als emergente Eigenschaften hervorgehen. Programmiert durch Quanteneinfluss lässt Physik schließlich Chemie hervorgehen und irgendwann nach langer Zeit daraus wiederum Leben und Biologie.Programmiert durch Mutation und Rekombination tritt aus Leben eines Tages ein Shakespeare in die Welt und schafft nach Programmierung durch Erfahrung und Vorstellungsvermögen letztlich „Hamlet“. Der Unterschied zwischen Affen an der Schreibmaschine und Affen am Computer ist Bit für Bit, Quant für Quant alles in der Welt.Damit ist auch die Annahme eines intelligenten Schöpfers oder Programmierers überflüssig. Der Zufall genügt, denn er arbeitet nicht allein und überlässt erst recht nichts dem Zufall.

Jan Magnus Kurz,  23.07.2014

 

Quellenverzeichnis:

 

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