Was ist eine Turingmaschine?
Eine Turing-Maschine ist ein philosophisches Konstrukt für die Funktionsweise eines Computers, das 1936 von Alan Turing, einem berühmten englischen Mathematiker und Logiker des 20. Jahrhunderts, erfunden wurde. Die Ideen hinter der Turing-Maschine sind die Grundlage für alle modernen Computer-Software- und -Hardware-Systeme, die ab 2011 existieren. Die von Turing entwickelten Konzepte wurden jedoch zu diesem Zeitpunkt nie zum Bau eines tatsächlichen Geräts verwendet und wurden erfunden, bevor es in irgendeinem Computer Digitalcomputer gab echte Form. Die Prinzipien, nach denen eine Turing-Maschine funktioniert, umfassen eine Reihe von Steuerungen für Eingabe- und Ausgabedaten, die Maschine zur Verarbeitung der Daten in irgendeiner Form und eine Reihe von festgelegten Regeln für die Verarbeitung dieser Daten durch die Maschine.
Das Genie hinter Alan Turings Entdeckung war, dass jede konsistente Gruppe von Symbolen, die bedeutsame Informationen darstellen, wie mathematische Symbole oder Buchstaben, die eine Sprache bilden, von einer Maschine mechanisch verarbeitet werden kann, wenn ein geeigneter Satz von Regeln für ihre Verarbeitung gegeben wird. Dies würde zur Schaffung mechanischer Geräte führen, denen logische Fragen für komplexe Probleme gestellt werden könnten und die schnell unbefangene Antworten liefern könnten. Die Turing-Maschine war in dieser Hinsicht ein Vorläufer eines Computeralgorithmus, der eine kompilierte Liste von Computeranweisungen darstellt, auf deren Funktion Zentraleinheiten (CPUs) in Computern ab 2011 angewiesen sind.
Das Design der Turing-Maschine war nach modernen Rechenstandards des 21. Jahrhunderts simpel, und ihre physikalische Funktion war hinsichtlich ihrer Implementierung unpraktisch, aber die Ideen, auf denen sie aufbaute, hatten eine solide Grundlage. Die Maschine bestand aus einem Band oder Band mit aufgedruckten Symbolen, die von einem Kopf gelesen werden konnten, wenn das Band darüber geführt wurde. Wenn die Symbole gelesen werden, rufen sie bestimmte Zustände in der Maschine auf, die die Bewegung des Bandes lenken und die von der Maschine erzeugten Ausgabewerte beeinflussen. Das Analoge zu modernen Computersystemen von 2011 wäre, dass das Band Computer-Software-Code oder -Algorithmen darstellt, der Leser die CPU ist und die Ausgabe Anzeige- und Übertragungssysteme wie Monitore, Lautsprecher und Drucker, Netzwerkverkehr und mehr sind.
Die Ideen hinter der Turing-Maschine wurden als grundlegende Funktion für die Durchführung einer Reihe von Berechnungen angesehen und konnten auch mit der Funktionsweise des menschlichen Gehirns verglichen werden. Turing selbst und andere seiner Zeit glaubten, dass die Turing-Maschine für praktisch jede Art von vorstellbaren Berechnungen angepasst werden und als universelle Maschine zur Lösung aller menschlichen Probleme fungieren könne. Das Problem, das bei diesem Konzept bald auftrat, wird als Turing-Tarpit bezeichnet und bezieht sich auf die Tatsache, dass eine Turing-Maschine zwar alle in sich konsistenten Symbolsätze verarbeiten kann, eine solche Maschine jedoch zu aussagekräftigen Antworten auf diese Fragen veranlasst Fragen beruhen ausschließlich auf immer komplexeren und vielschichtigeren Verarbeitungsregeln.
Die Informatik hatte bald Probleme damit, wie Software- und Hardwaresysteme, die auf Turing-Maschinenprinzipien basieren, in bedeutungslosen Berechnungen, den sogenannten Programmschleifen, versinken könnten. Logikbegrenzungen führten zu Anpassungen der Turingmaschinenprinzipien, wie der der quanten- und probabilistischen Turingmaschinen. Eine probabilistische Turing-Maschine nutzt die Idee, dass mehrere Bänder gleichzeitig in der Maschine laufen, um parallel unterschiedliche Ergebnisse zu erzielen, die dann basierend auf der Wahrscheinlichkeit, mit der das Ergebnis höchstwahrscheinlich genau ist, gegeneinander abgewogen werden. Solche Maschinen würden ähnliche Schlussfolgerungen ziehen wie Fuzzy-Logik-Software in fortschrittlichen Steuerungssystemen ab 2011.
Ein Quantencomputer, der auf dem Turing-Maschinenprinzip basiert, würde ein Band von unendlicher Länge haben, dessen Symbolzellen sich bis zum Lesen in einem unbestimmten Zustand befanden. Dies würde eine Form der Parallelverarbeitung ermöglichen, die den Datenverarbeitungsverfahren von Computern ab 2011 weit überlegen wäre. Quantum Turing-Maschinen bieten die Möglichkeit, mehrere Werte in einzelnen Speicherzellen zu speichern, bis auf sie zugegriffen werden kann, was logikbasierte Standardcomputer nicht können machen.