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JP's doctoral thesis can be found here.

Resumo

A computação é algo que ocorre em dispositivos físicos. O presente texto estuda dois tipos de computação baseados em processos de existência física bem distintos: computação quântica e computação biológica.

A computação quântica baseia-se na física de partículas. Uma única partícula quântica pode representar uma quantidade muito grande de bits permitindo processamento de informação massivamente paralelo. Por outro lado, a computação biológica baseia-se na química orgânica usando moléculas de DNA para processar informação. Considerando que cada molécula de DNA pode tomar parte em uma computação isolada, um tubo de ensaio contendo uma quantidade enorme de moléculas pode ser um sistema computacional de processamento massivamente paralelo.

Por fim, considerando-se que tanto a computação quântica como a computação biológica são computações que transcorrem de forma massivamente paralela, pode-se traçar paralelos entre as mesmas.

Palavras-chaves: computação quântica, computação molecular, computação biológica.

Abstract

Computation is something that happens on physical devices. The present text studies two kinds of computation based on clear distinct physical processes: quantum computation and biological computation.

The quantum computation is based on physics of particles. Just one quantum particle can represent a large number of bits making it possible to process information on a massive parallel way. Biological computation is based on the organic chemistry using DNA molecules in order to process information. Considering that each DNA molecule can take part in one isolated computation, a test tube containing a large number of molecules can be a massive parallel computational processing system.

To finish, considering that quantum computation and biological computation are kinds of massive parallel computation, it is possible find many common properties on both kinds of computations.

Keywords: quantum computing, molecular computing, biologic computing.

    Segue: Abstract, Resumo, Análise de Trabalhos já Realizados e Introdução do meu trabalho de diplomação.

Abstract

    The present research on physics, math, biology and computer science brings answers to artificial intelligence problems. Chaos theory and entropy are also considered. They are both used to explain the life and intelligence evolution on Earth and are both compared with Game of Life cellular automata behavior.  In order to research magic squares, a heuristic is shown presenting a chaotic behavior. The possibility to construct a random hardware is based on tunneling technology. Finally, the proposal is presented that extrassomatic or artificial intelligence is an evolutive step on information management.

Resumo

    O presente trabalho procura na física, matemática, biologia e ciência da computação respostas para problemas da Inteligência Artificial. Teoria do caos, entropia e tunelamento são introduzidos. Teoria do caos e entropia são usadas para explicar o aparecimento de vida e inteligência na Terra e comparadas com o comportamento do autômato celular Game of Life. Uma heurística para procurar quadrados mágicos é apresentada demostrando seu comportamento caótico. A possibilidade de construção de hardware baseado no comportamento probabilístico do tunelamento é apresentada assim como sua aplicabilidade em heurísticas. Finalmente, é proposto que a inteligência artificial ou extrassomática é um passo evolutivo na evolução no tratamento da informação.

Análise de Trabalhos já Realizados

    A procura de respostas na física e matemática para problemas da inteligência artificial não é novidade. Em seu livro A Mente Nova do Rei [PEN89], Roger Penrose analisa profundamente aspectos da física quântica, cosmologia e caos como um meio para apresentar seus pontos de vista. Na introdução de seu livro, Penrose declara muito bem o que pretende: “... posso pelo menos dizer que, segundo o meu ponto de vista, a nossa atual falta de entendimento das leis fundamentais da física é que nos impede de entender o conceito de mente em termos físicos ou lógicos.”. O livro de Penrose inspirou o autor do presente texto durante anos. O presente texto não é nem de longe um resumo do trabalho de Penrose. Enquanto Penrose fixa-se quase que exclusivamente na física, matemática e ciência da computação, o presente texto aborda aspectos como o aparecimento da vida e inteligência na Terra e uma forma diferenciada de estudar caos e entropia. Nos aspectos relativos ao aparecimento de vida na Terra e sua lógica, a abordagem sobre o funcionamento do DNA torna-se crucial.
    A leitura do trabalho de Penrose exige muito de seu leitor passando por tópicos extremamente densos de forma muito rápida durante suas 500 páginas. Sendo assim, para dar sustentação à leitura, foram muito úteis os livros de Paul Davies[DAV94] [DAV96], Halliday-Resnick-Walker[HRWa 94] [HRWb 94] e Stephen W. Hawking[HAW88] .

Introdução

    O objetivo do presente trabalho de diplomação é procurar na física, matemática, biologia e ciência da computação respostas para problemas da Inteligência Artificial. É evidente que tal discussão estará ligada a definição de inteligência. Ainda que o trabalho seja teórico, serão apresentados modelos implementados em Pascal que fundamentarão certas argumentações. Serão apresentados algoritmos de autômatos celulares para fundamentar argumentações relativas ao aparecimento e evolução da vida na Terra. Um algoritmo para detecção de quadrados mágicos por meio de uma heurística será apresentado tendo em vista que diversas propriedades das heurísticas podem ser observadas durante sua execução. Vários modelos matemáticos sobre caos serão apresentados com o intúito de evidenciar certas propriedades de sistemas dinâmicos.
    Para discutir sobre inteligência artificial, devemos entender a inteligência natural e sua origem nos seres biológicos. Para entender o estado atual da biologia na Terra, devemos entender por quais  estágios e que regras definiram a evolução da biologia e do planeta. Certamente o objetivo proposto exigirá conhecimentos de diversas áreas de estudo e pesquisa passando por biologia, física, caos e naturalmente ciência de computação.
    Nos primeiros seres vivos da Terra, toda a sua informação estava presente em seu DNA. Quando os primeiros cérebros evoluíram, tivemos os primeiros seres vivos que tinham conhecimento extragenético. Em um certo momento, os primeiros seres que possuíam mais conhecimento em seu cérebro (extragenético) que em seu DNA apareceram. Quando os seres humanos começam a desenhar e escrever pondo os frutos de sua inteligência fora de seu cérebro, surge o conhecimento extrassomático.    No momento em que passamos a depositar não apenas o nosso conhecimento como também os métodos pelos quais resolvemos problemas (inteligência) de tal forma que máquinas possam solucionar nossos problemas de forma automática, estamos dando um passo tão grande quanto ao inventar a escrita ou evoluir um cérebro. Agora, estamos gerando não apenas conhecimento extrassomático como também inteligência extrassomática.
    O trabalho de diplomação discorre sobre leis da física, teoria do caos, aparecimento da vida e da inteligência na Terra  e ciência da computação com enfoque nos aspectos de interesse para a inteligência artificial.
 
Trechos Retirados

...A entropia pode ser definida como uma medida de desordem atômica. Na escala do universo, a entropia pode ser definida como o grau de desorganização do universo. Inicialmente, imaginemos uma piscina cheia em que um lado está totalmente ocupado de tinta vermelha e o outro está cheio de tinta azul. Depois de algum tempo, a tinta começará a se misturar. Certamente, por força espontânea, as tintas nunca se separarão novamente. O grau de desorganização somente cresce ou se mantém igual. Nesse caso e sempre, a entropia somente cresce ou se mantém...

...A história da vida é a história do crescimento da complexidade organizada. Paradoxalmente, enquanto a segunda lei da termodinâmica descreve um universo que caminha para a morte, estruturas de complexidade maior evoluem. A vida é um sistema altamente complexo e organizado que evolui ao longo do tempo. A explicação está no fato de que para gerar um sistema organizado é necessário pagar um preço entrópico. A entropia e a desordem são a negação de ordem e informação. Ordem e informação não vivem juntas necessariamente. Um cristal é um sistema altamente organizado que carrega pouca informação ao considerar sua extrema redundância; porém, uma bactéria é um sistema altamente organizado que carrega grandes quantidades de informação em seu DNA. Existe uma regra de incremento de complexidade operando no universo paralelamente à segunda lei da termodinâmica. Um exemplo dessa regra é a evolução da vida na Terra em que podemos ver a complexificação da biologia planetária ao longo de milhões de anos...

...Em 1917, Einstein propôs que a energia de radiação é quantizada. Isso significa afirmar que a energia somente é verificável em certos níveis enquanto que os níveis intermediários são proibidos...

...No início do século, acreditava-se que dado um conhecimento aproximado das condições iniciais de um sistema, seria possível calcular o comportamento aproximado desse sistema. Existia a percepção de que a órbita de Marte nunca influiria no comportamento da atmosfera terrestre tendo em vista que acreditava-se que variações de estado muito pequenas poderiam ser desprezadas. Em uma experiência acidental, executando um simulador atmosférico em um computador modesto, Lorenz descobriu que uma variação muito pequena no estado inicial de um sistema dinâmico complexo pode implicar numa variação muito grande no estado final desse sistema...

...Júpiter é um planeta vasto. A massa de Júpiter é 318 vezes a massa da Terra. Possuindo 16 luas, Júpiter apresenta um diâmetro equatorial de 143.000km. O núcleo de Júpiter é formado por uma esfera de metal e rocha circundada por um vasto oceano de hidrogênio metálico e líquido. Olhando para Júpiter de sua órbita, somente vemos nuvens que variam em seu colorido de acordo com sua composição química. Entre a natural imprevisibilidade de qualquer sistema atmosférico planetário, uma mancha vermelha de enormes dimensões é logo identificada. A grande mancha vermelha possui o tamanho de uma elipse que possui 44.000 quilômetros em seu eixo maior e 11.000 quilômetros em seu eixo menor. Vale lembrar que o diâmetro equatorial da Terra é de 12.800 quilômetros...

...Logo após a formação da Terra, a Terra era dominada pelo caos. Vale lembrar que caos é uma propriedade de um sistema dinâmico complexo que apresenta uma desordem aparente e uma ordem misteriosa que regula a desordem. É natural pensar que no princípio a desordem imperava tendo em vista que ela é resultado da entropia. Quando a vida começou, a vida era uma ilha em meio ao caos. Assim como em Júpiter e na simulação de Marcus, é possível o nascimento de uma ilha de estabilidade em meio ao caos. O nascimento da vida na Terra é o nascimento de uma ilha de estabilidade em meio ao caos...

...No oceano primitivo não existiam predadores; existiam somente moléculas se duplicando. A evolução ao nível molecular seguia de forma implacável. Com o passar de milhões de anos, moléculas especializadas se agruparam formando as primeiras células primitivas...

...A entropia sempre cresce ou se mantém. Isso implica que o grau de desorganização do universo sempre cresce ou se mantém. A evolução da vida é um processo que cresce em complexidade. A vida caminha no lado contrário da entropia. A vida deseja a eternidade. A entropia garante a morte do universo. A eternidade é o sonho de uma mente. A entropia é uma lei da termodinâmica. A razão para a existência do universo pode ser algo a ser procurado por uma mente. O universo apenas existe...