Transcript Referat Renato Renner

Informatik:
Zwischen Wissenschaft und
Zehnfingersystem
Renato Renner
Institut für Theoretische Physik
ETH Zürich
Wo muss ich klicken, um die PowerpointPräsentation zu starten?
Ein Virus hat meine Harddisk gelöscht.
Wie kann ich meine Ferienfotos
wiederherstellen?
Wir möchten die Noten unserer Schüler
elektronisch verwalten. Welche Lösungen
gibt es dafür?
An unserer Schule soll jeder Schüler seine
eigene Email-Adresse besitzen. Welche
Infrastruktur brauchen wir dazu?
Wie viel Information ist in einer
menschlichen DNA enthalten?
Ist ein Computer in der Lage, das
menschliche Gehirn zu simulieren?
Welche dieser Fragen sollen unsere Schüler /
Studentinnen beantworten können?
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
System-/SoftwareEntwicklung
Konzepte
Wissenschaft
Wo muss ich klicken, um die PowerpointPräsentation zu starten?
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
• Powerpoint
System-/SoftwareEntwicklung
Konzepte
Wissenschaft
Ein Virus hat meine Harddisk gelöscht.
Wie kann ich meine Ferienfotos
wiederherstellen?
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
• Powerpoint
• Backups
System-/SoftwareEntwicklung
Konzepte
Wissenschaft
Wir möchten die Noten unserer Schüler
elektronisch verwalten. Welche Lösungen
gibt es dafür?
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
• Powerpoint
• Backups
System-/SoftwareEntwicklung
• Datenbanken
Konzepte
Wissenschaft
An unserer Schule soll jeder Schüler seine
eigene Email-Adresse besitzen. Welche
Infrastruktur brauchen wir dazu?
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
System-/SoftwareEntwicklung
• Powerpoint
• Backups
• Datenbanken
• Netzwerke
Konzepte
Wissenschaft
Wie viel Information ist in einer
menschlichen DNA enthalten?
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
System-/SoftwareEntwicklung
• Powerpoint
• Backups
• Datenbanken
• Netzwerke
Konzepte
Wissenschaft
• Informationstheorie
Ist ein Computer in der Lage, das
menschliche Gehirn zu simulieren?
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
System-/SoftwareEntwicklung
• Powerpoint
• Backups
• Datenbanken
• Netzwerke
Konzepte
Wissenschaft
• Informationstheorie
• Berechenbarkeit
Gilt eine eingescannte Unterschrift als
“digitale Signatur”?
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
System-/SoftwareEntwicklung
• Powerpoint
• Backups
• Datenbanken
• Netzwerke
Konzepte
Wissenschaft
• Informationstheorie
• Berechenbarkeit
Wie funktioniert Google?
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
System-/SoftwareEntwicklung
• Powerpoint
• Backups
• Datenbanken
• Netzwerke
Konzepte
Wissenschaft
• Informationstheorie
• Berechenbarkeit
Welche Fragen sollen unsere Schülerinnen und
Schüler kompetent beantworten können?
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
System-/SoftwareEntwicklung
• Powerpoint
• Backups
• Datenbanken
• Netzwerke
Konzepte
Wissenschaft
• Informationstheorie
• Berechenbarkeit
Anwenderwissen
• Absolut notwendig.
• Für Generation der unter 30-jährigen
selbstverständlich.
• Halbwertszeit: Jahre.
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
System-/SoftwareEntwicklung
• Powerpoint
• Backups
• Datenbanken
• Netzwerke
Konzepte
Wissenschaft
• Informationstheorie
• Berechenbarkeit
Fachwissen
• In bestimmten Berufen wichtig.
• Wird beispielsweise in einer Informatiklehre
oder in der Fachhochschule vermittelt.
• Halbwertszeit: Jahrzehnte.
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
System-/SoftwareEntwicklung
• Powerpoint
• Backups
• Datenbanken
• Netzwerke
Konzepte
Wissenschaft
• Informationstheorie
• Berechenbarkeit
Konzeptwissen
• Meist nur indirekte Anwendbarkeit.
• Bleibt einer breiten Bevölkerungsschicht
verborgen.
• Halbwertszeit: ∞
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
System-/SoftwareEntwicklung
Wissenschaft
Erforderliches Wissen und Halbwertszeit T
Produktkenntnisse
T ≈ Jahre
Design von Informatiksystemen
Programmiersprachen
T ≈ Jahrzehnte
Naturwissenschaftliche
Einsichten
T≈∞
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
System-/SoftwareEntwicklung
Wissenschaft
Erforderliches Wissen und Halbwertszeit T
Produktkenntnisse
T ≈ Jahre
Design von Informatiksystemen
Programmiersprachen
T ≈ Jahrzehnte
Naturwissenschaftliche
Einsichten
T≈∞
Informatik als Wissenschaft
• Informationstheorie
Was ist Information?
Wie viel Information ist in einer
menschlichen DNA enthalten?
Kann jede Art von Information in Form
von Bits und Bytes auf einem Computer
gespeichert werden?
Neues Forschungsgebiet:
Quanteninformatik
Informatik
Quanteninformatik
QuantenPhysik
„Information ist physikalisch“
[R. Landauer, 1927 – 1999]
klassisch
quanten-mechanisch
• kann beliebig gelesen werden
• lesen verändert den Inhalt des
Geschriebenen
• kann kopiert werden
• kann nicht kopiert werden
(“No-Cloning”)
Forschung im Bereich der
Quanteninformatik
Bedeutung in der heutigen Forschungslandschaft
• Schwerpunktsgebiet an der ETH
(10 Forschungsgruppen mit gesamthaft über 160
Mitarbeitern).
• Bundesrat hat für die nächsten 4 Jahre zusätzlich
17 Mio. CHF für Forschung in diesem Gebiet bewilligt.
Ziel
Nutzbarmachung der Quantenphysik zur
Informationsverarbeitung.
Informatik als Wissenschaft
• Informationstheorie
Was ist Information?
• Komplexitätstheorie
Welche Fragen kann ein Computer
beantworten?
Ist ein Computer in der Lage, das
menschliche Gehirn zu simulieren?
Kann ein Computer den Beweis zu einem
mathematischen Theorem finden /
überprüfen?
Informatik als Wissenschaft
• Informationstheorie
Was ist Information?
• Komplexitätstheorie
Welche Fragen kann ein Computer
beantworten?
• Kryptographie
Was bedeutet Geheimhaltung / Authentizität?
Gilt eine eingescannte Unterschrift als
“digitale Signatur”?
Was ist “elektronisches Geld”? Ist dieses
grundsätzlich fälschungssicher?
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
System-/SoftwareEntwicklung
• Powerpoint
• Backups
• Datenbanken
• Netzwerke
Konzepte
Wissenschaft
• Informationstheorie
• Berechenbarkeit
Welche Fragen sollen unsere Schülerinnen und
Schüler kompetent beantworten können?
Merci pour votre attention!
Berechenbarkeit
• Lässt sich jede Funktion berechnen?
• Nein: es gibt Fragen, deren Antworten sich
prinzipiell nicht berechnen lassen (obwohl sie
existieren!).
Beobachtungen
Experimente
Informationsverarbeitung
Voraussagen
Simulierbarkeit
• Können alle beobachtbaren Konsequenzen
einer Theorie (z.B. der Quantentheorie)
numerisch simuliert werden?
• Ja, aber man bräuchte dazu eventuell einen
Quantencomputer.
Beobachtungen
Experimente
Informationsverarbeitung
Voraussagen
Klassische Beschreibung von
Quantensystemen
236 komplexe Zahlen
> 100 GByte
36 Atome
Ψ
Informationsgehalt
• Lässt sich der Informationsgehalt eines
Objekts quantifizieren?
• Ja, über dessen „Beschreibungslänge“.
Beobachtungen
Experimente
Informationsverarbeitung
Voraussagen
Informationsgehalt
For each pixel on the screen do:
{ x=0 y=0
iteration = 0 max_iteration = 1000
while ( x*x + y*y <= (2*2) AND iteration < max_iteration )
{ xtemp = x*x - y*y + x0
y = 2*x*y + y0
x = xtemp
iteration = iteration + 1 }
if ( iteration == max_iteration )
then color = black
else color = iteration
plot(x0,y0,color) }
Informationsgehalt
• Wie gross ist der Informationsgehalt eines
Atoms, der menschlichen DNA, oder des
Universums?
• Die Physik such nach einer minimalen
Beschreibung der Naturgesetze.
Beobachtungen
Experimente
Informationsverarbeitung
Voraussagen
Naturgesetze sind komprimierte
Information über die Natur
Komplexität
• Wie viel Zeit wird benötigt, um ein Problem zu
lösen?
• In der theoretischen Informatik kann man
beweisen, dass sich die „meisten“ Probleme
nicht effizient lösen lassen.
Beobachtungen
Experimente
Informationsverarbeitung
Voraussagen
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
System-/SoftwareEntwicklung
Wissenschaft
Erforderliches Wissen und Halbwertszeit T
Produktkenntnisse
Design von Informatiksystemen
Programmiersprachen
T ≈ Jahre
T ≈ Jahrzehnte
Naturwissenschaftliche
Einsichten
T≈∞
Das Spektrum der Informatik
Informatik
Anwendungen
System-/SoftwareEntwicklung
Wissenschaft
Erforderliches Wissen und Halbwertszeit T
Produktkenntnisse
T ≈ Jahre
Design von Informatiksystemen
Programmiersprachen
T ≈ Jahrzehnte
Naturwissenschaftliche
Einsichten
T≈∞
Informationstheoretische Formulierung
der physikalischen Gesetze
Maxwells Dämon
Was ist Information?
Andrey Nikolaevich Kolmogorov
1903 - 1987
Claude Shannon
1916 - 2001
Shannons Idee:
Darstellungsunabhängige Informationstheorie
Landauers Erasure-Prinzip
Rolf Landauer,
1927- 1999
Charles Bennett,
geboren 1943
“Das Löschen eines Bits Information ist
unweigerlich mit der Erhöhung der Entropie der
Umgebung um 1 kB, verbunden, und heizt diese
entsprechend auf.”
Erweiterung der Ideen von
Kochen/Specker und Bell
Abstrakte Prinzipien,
formuliert in der
Sprache der Logik oder
Informationstheorie,
erlauben uns, den
Raum möglicher
physikalischer Theorien
substantiell
einzuschränken.
Ernst Specker
Kurt Gödel (1906 – 1978)