Kuidas kvantarvutid end klassikalise arvuti kõrval tunnevad

Miks me vajame kvantarvuteid

See pole ainult sellepärast, et nad on lahedad.

Siin on lühike vastus:

  • Maailma matemaatika- ja teadusosakonnal on ees sein, mida nimetatakse „tõeliselt rasketeks probleemideks” (mõelge: vähi ravimine, energiatõhusad akud [või selle jaoks energiatõhusad asjad ja materjalide kujundamine).
  • Inimese ajud on smol. Nii et me lõime arvutid, et asju kiiremini arvutada. (Arvutid kujutavad lihtsalt seda, kuidas inimesed mõtlevad.)
  • Isegi kõige võimsamal superarvutil pole piisavalt tõsist arvutusvõimet, et seina lammutada ja seda nimetatakse tõeliselt rasketeks probleemideks.
  • Kvantarvutid "mõtlevad" / töötavad erinevalt. Nad võivad päeva päästa!

Siin on pikk vastus:

  • Loe artiklit

(sisaldab seda, miks me ei saa varem mainitud seina lagundada)

(hea lugeda. jätkake.)

Einsteini moodi tark.

Teoreetilise füüsika ikoon tuli välja relatiivsusteooriaga (moodsa füüsika sammas), lõi relva, mis lõpetaks kõigi aegade suurima sõja ja edendas kõige kuulsamat võrrandit.

Aatomite meistri segadusse ajamine oleks midagi suurt.

Või midagi väga väikest.

Nagu… väiksem kui aatom.

Einstein võis olla aatomite meister, kuid kvantosakeste (alaaatomiliste osakeste) mõistmiseks oli ta põhjalikult segamini.

Õnneks saan selles aidata.

Füüsikat, nagu me seda teame ja näeme, määratlevad Newtoni ja Einsteini seadused. Need on jälgitavad tunnused, mida aatomid meie ümber näivad kujutavat. Need seadused esindavad seda, kuidas me maailma füüsiliselt kogeme, ja need on määratletud matemaatiliste vahenditega, mis on meie inimmeelsuses loogilised.

Kuid kui külastame osakesi, mis istuvad aatomis, puutume kokku tähelepanekutega, mis on nii kummalised, et need lähevad täielikult vastu meie loomulikule intuitsioonile.

Need aatomiaatomite osakesed mängivad kvantmehaanika valdkonda.

1920. aastatel tegid Einstein ja Niels Bohr pealkirju oma pideva vaidlusega kvantmehaanika legitiimsuse üle. Kui Einstein arvas, et füüsiline reaalsus eksisteerib sõltumata meie võimest seda jälgida, uskusid Bohr ja tema järgijad, et pole mõtet spekuleerida "ülima reaalsuse" üle, mis eksisteerib meie tajudest -, et kõik, mida me võime ja peaksime teadma, on vaatlused ja mõõtmised.

Kaasaegsed teadlased on kvantmehaanika õiguspärasuse üle arutlenud ja kasutavad arvutit nende omaduste ärakasutamiseks.

Ehkki nad (loodetavasti) ei loo uut moes surmamasinate rida, on kvantarvutitel valitsused isegi huvitatud. Vabandust, Bohr.

Kuid kvantmehaanika mõistmine arvutuste jaoks ei tähenda meie jaoks midagi enamat kui meie uudishimulikku meelt (nagu Einsteini puhul).

Kvantarvutitel on potentsiaal murda tõkked, mis pidurdavad matemaatika, meditsiini ja materjalide kujundamise uuendusi.

Kvantmehaanika kõrgetasemeliste põhitõdede mõistmine pole tegelikult liiga keeruline ja mõistmiseks, kuidas kvantarvutid teie vanaema päästa aitavad, peaksite lugema järgmist:

Tagasi juba? Millised nutikad püksid. Alustame.

Inimesed armastavad tunnustada meie kognitiivseid võimeid ja kiidelda pidevalt tehnoloogiliselt arenenud maailma üle, milles me elame. Iga tehnoloogia on kiirem ja väiksem kui kunagi varem ning on aidanud meil saavutada kõrgemat elatustaset, mida poleks osanud ettegi kujutada. isegi 25 aastat tagasi.

See on kõik vikerkaar ja ükssarvik, kuni mõistame - teadlaste käes on nii palju probleeme, et selle igapäevaelus hakkama saada - mida pole veel lahendatud - ja me ei saa lihtsalt arvutite arendamist kiiremaks ega väiksemaks muuta, et neid lahendada.

Oota. Miks just?

Miks me ei saa lihtsalt visata mõneks aastaks teadlasi ja nohikuid, kes nende asju ajavad, ja oodata, et sellised asjad nagu personaliseeritud meditsiin jõuaksid meie juurde?

Jah, kindel, et ehk see ka töötab - välja arvatud juhul, kui see ei õnnestu.

Seal on 2 peamist küsimust:

  1. Kuidas arvutid töötavad
  2. Arvutid on tõesti väikesed

Bitti bitti bitti

Tavapärased arvutid piirduvad ühe asja korraga tegemisega.

Põhjus on see, et põhimõtteliselt võtavad digitaalsed arvutid teavet vastu ja töötlevad seda ainult lineaarselt ja korrapäraselt - bittide kaudu, mis loevad ainult 0 ja 1. (Nagu te võite minu artikli kaudu teada saada).

Kui ilmneb probleem, mille tõttu on meie arvutitel vaja arvestada paljude parameetrite ja olukordadega, ei saa see seda tõhusalt teha. Tulemuse saavutamiseks peab digitaalne arvuti enne järelduste tegemist läbi vaatama kõik võimalused.

Seetõttu

Mida keerulisem on probleem, seda kauem aega võtab selle lahendamine ...

Klassikaliste bittide kasutamise protsess mitme konfiguratsiooni arvestamiseks võib võtta isegi maakera suurima superarvuti - ja kui me üritame oma noori täiskasvanuaastaid hästi hoida, siis tuleb midagi muuta.

Põhjus numéro deux:

Meie tehnoloogia füüsiliselt meid ei lase.

Oleme oma elus ühel hetkel, kui Moore'i seadus pole enam asjakohane.

Hmm ... transistorid ... kõlab olulisena.

Transistoride mõistmise kaudu saame aru, kuidas klassikalised arvutid on jõudnud arvutusliku piirini.

Arvutid on põhimõtteliselt (väga keeruline) elektrooniline vooluring, mis koosneb ühendusjuhtmetest ja hunnikust lülititest, mida saab sisse või välja lülitada. Neid lüliteid juhitakse elektrooniliselt (duh, seda nimetatakse elektrooniliseks vooluahelaks) ja neid nimetatakse transistorideks.

Pannes transistorid vooluringile, peatame ja alustame elektrivoolu voolu.

Võib ka öelda, et transistorid seavad vooluringile tingimuse, otsustades, kas elektrivool võib voolata või mitte.

Nüüd on teie vooluringil nende tingimuste põhjal võimalus otsustada voolu voolu üle.

Nii et põhimõtteliselt

rohkem transistreid = rohkem tingimusi = rohkem väravaid = keerulisemad arvutused

Kas sul on? Tore.

Vaiake hunniku väravaid vooluringis ja teil on põhimõtteliselt sülearvuti, mida te tõenäoliselt loete seda artiklit.

Aeg (ja hunnik noori) võimaldas meil leida uusi tootmistehnikaid väiksemate ja väiksemate transistoride loomiseks - ja väiksematesse ruumidesse (näiteks trükkplaatidesse) paigutamiseks.

Transistoride väiksemaks jäädes vähenes paigutamiseks vajalik ruum nii palju, et hakkasime neid "kiibideks" kutsuma.

Sellised ettevõtted nagu Intel on massitootvad transistorid, mille läbimõõt on kõigest 14 nanomeetrit. See on vaid 14 korda laiem kui teie DNA molekulid. See on hull.

Oleme teinud transistorid nii väikesteks, et mahutame neist nüüd 4,3 miljardit kiipi, mis on nii väike kui penn (kui need asjad oleksid juba olemas).

Selle paljude transistoridega oleme loonud hulgaliselt loogikaväravaid, mis orjad ära teevad, et meie jaoks väga keerulisi arvutusi teha. Mõnikord kasutame seda ülimalt keerulist arvutusvõimsust mitte nii keerukatel või intellektuaalsetel põhjustel - näiteks Redditi kaudu kerimisel.

Igatahes.

Transistorid on valmistatud räni.

Räni aatomisuurus on umbes 0,2 nanomeetrit, mis teeb meie transistoridest umbes 70 räni aatomit. See muudab võimaluse muuta need veelgi väiksemaks - väiksemaks kui kunagi varem.

Nii väikeses mastaabis hakkame tegelema mõne kõrvalekaldega. Osakesed, nagu elektronid, hakkavad käituma kvantfüüsika seaduste järgi (jah teile! Teate, mida see tähendab!).

Seetõttu on arvutusliku võimsuse piirid üsna otseselt korrelatsioonis sellega, kui väikeseks saame oma transistorid teha.

Nii et… meie praegused arvutid ei suuda lahendada probleeme, mida me neile soovime, ja me ei saa isegi muuta arvuteid nende majutamiseks võimsamaks või keerukamaks.

Mida kuradit?

Siin on kurat:

Teadlased valmistavad arvuteid, mis kasutavad arvutamiseks kvantfüüsika omadusi. Tähendab, meie arvutusprotsess on võimeline töötama pigem eksponentsiaalsel kui lineaarsel tasapinnal.

Millised kvantarvutid on olemas

Kvantarvutid mängivad Quantum Realm osakestega ...

Kõlab loogiliselt.

Kuna kvantarvutid saavad olekuid samaaegselt simuleerida, võib see kaaluda mitut konfiguratsiooni korraga - ja töödelda erakordselt palju teavet.

Tegelikult mahutab see plahvatuslikult rohkem teavet kui klassikaline bit.

'Eksponentsiaalne' võimsus seisneb kvantarvuti suutlikkuses kahekordistada olekuid, mida süsteem suudab samaaegselt salvestada - kui lisate ühe kbitti.

Kaks juppi mahutavad neli olekut, kolm juppi kaheksa olekut, neli juppi 16 olekut ... saate idee.

Olukorras, kus oleks vaja kvant olekute modelleerimiseks 50 takerdunud vutti, peate sama koguse teabe salvestamiseks kodeerima 1,125 kvadriljonit klassikalist bitti.

Miks ma hoian Tho.

Kogu selle artikli vältel olen teinud seda väga räbalat asja, mida nimetatakse 'olemine väga ebamäärane', ega ole tegelikult määratlenud ühtegi probleemi, mida klassikalised arvutid ei suuda lahendada (ja kvantarvutid saavad).

Arvan, et on aeg see parandada.

Mõelge reaalse elu olukorrast: molekulaarsest simulatsioonist.

Olgu olgu. Jää siia minu juurde. Ma tean, et see näib puudutavat midagi, millega peavad tegelema ainult teadlased ja keskkooli õpikud ... aga mõistage seda: molekulid moodustavad kõik materjalid meie ümber.

See jätab ohtralt ruumi molekulaarse simulatsiooni rakendamiseks.

Võtame probleemi, mis mõjutab kõiki (planeeritud pun) planeedil: meditsiin.

Praeguse seisuga kulub vähemalt 12 aastat, kuni ravim jõuab laborist teie arsti kabinetti. (Kui see isegi nii kaugele jõuab.)

Mõne jaoks on see eluiga ja teiste jaoks luksus, kellel pole 12 aastat oodata ravimit, mis ei pruugi isegi nende tervist taastada.

12 aastat ja vähemalt 648 miljonit dollarit (2,7 miljardit) dollarit väikese võimaluse korral saada ravi haigusest, mida te ilmselt ei soovi.

Väike võimalus võib teie jaoks seda väärt olla, kuid olen huvitatud selle võimaluse tühimiku avamisest.

Kemikaalide mudelid

Püüame tänapäeval luua päästetavaid ravimeid, kasutades keemilisi modelleerijaid.

Need kemikaalimudelid proovivad pidevalt ühendite loomist, sundides lähendama tundmatu molekuli käitumist, seejärel katsetades seda pärismaailmas, et näha, kas see töötab ootuspäraselt.

See pidev edasi-tagasi protsess on nii aeganõudev kui ka ressursimahukas (tere, 12 aastat ja paar miljonit dollarit).

Samuti ei tööta see tegelikult.

Molekulaarse simulatsiooni eesmärk on leida ühendi olek - selle kõige stabiilsem konfiguratsioon. Kõigi selle keemiaklassis läbitava praktika korral võib see kõlada piisavalt lihtsalt. Kuid selleks, et molekuli põhiseisundit tõeliselt teada saada, peate kaaluma rohkema kui skeleti võrrandi tasakaalustamist:

  • kuidas interakteerub iga aatomi iga elektron kõigi teiste aatomite tuumadega
  • kvantmõjud, mis esinevad sellistel väikestel skaaladel

Neid parameetreid on molekuli suuruse kasvades eksponentsiaalselt raskem käsitleda.

Meie binaarsed ajud ja arvutid ei suuda mõistliku kasuliku aja jooksul optimaalset konfiguratsiooni välja pumbata.

Selle jaoks on isegi sõna: polünoomi aeg. Polüaeg on aeg, mis kulub klassikalise arvuti lahendamiseks.

Me kasutame mõtet "suuta arvutada probleem polüajasiseselt", sest jah - klassikalised arvutid võivad tegelikult molekule simuleerida - võtab see neil lihtsalt kohutavalt palju aega.

Isegi tänapäeval kõige võimsamad superarvutid (kelle hulgas on üpris super) on kiire või hädas kolme või enama elemendiga molekuli simuleerimisega.

Iga molekuli sidemes oleva uue elektroni eksponentsiaalse olemuse ja kvant interaktsioonide jälgimine on klassikalise arvuti (ja praeguste keemiliste modelleerijate) jaoks äärmiselt töömahukas.

Kuid kvantarvuti jaoks, mis tegeleb kvant interaktsioonidega? Kõlab peaaegu mõistlikult.

Nii et seal.

Klassikalised arvutid pole just need suured boisid, kelleks nad on saanud. Ja kvantarvutid on lahedad.

Paljud inimesed arvavad, et kvantarvutite tõus tähendab, et umbes kümne aasta pärast istub teie süles 16-bitine arvuti. See on üsna palju (f̵a̵k̵e̵ ̵n̵e̵w̵s̵) vale, sest klassikalised arvutid on suurepärased ... nad pole lihtsalt mõnes aspektis nii võimelised. Mõned olulised aspektid. Aspektid, mis takistavad meid lahedate asjade tegemisest. Nagu molekulid. Ja siis isikustatud meditsiin. Ja energiatõhusad akud. Ja võib-olla tõhus arhitektuur.

Sa saad asja.

Tavaliste arvutite olemusliku tööviisi tõttu ei saa nad teatud konfiguratsioone arvutada. Ja selle artikli tõttu teate nüüd, miks.

Vastupidiselt sellele, mida hr Bohr arvas, on tegelikult oluline mõista, kuidas juhtub midagi elektri liikumist nii jälgimatut.

Molekulid moodustavad materjali meie ümber ja kui tahame oma ressursside kasutamist optimeerida ... ei saa me jätkata seda, mis pole töötanud - kasutada klassikalisi arvuteid, et simuleerida materjale uuenduste jaoks. Peame investeerima tõhususesse.

Ma tean, et ma pole tegelikult selgitanud, kuidas Quantum Computers tegelikult seda teeb - aga uskuge mind, see on tulemas. Ma lihtsalt ei tahtnud teile tüüdata matemaatilist selgitust, milleks võib-olla keegi teist siin pole.

Olge kursis põnevate asjadega:

  • LinkedIn
  • Keskmine:
  • Twitter:
  • DM minu uudiskirjaga liitumiseks