Kako se kvantna računala osjećaju uz klasično računalo

Zašto su nam potrebna kvantna računala

To nije samo zato jer su cool.

Evo kratkog odgovora:

  • Svjetski odjel za matematiku i znanost pred sobom ima zid koji se zove "stvarno teški problemi" (mislite: izliječiti rak, energetski učinkovite baterije [ili ništa drugo što se tiče energije] i dizajn materijala).
  • Ljudski mozak je smol. Tako smo stvorili računala da brže izračunamo stvari. (Računala su prikaz načina na koji ljudi misle, samo brže.)
  • Čak ni najmoćniji superračunalo nema dovoljno računske snage da bi srušio zid zvan "stvarno teški problemi".
  • Kvantna računala 'razmišljaju' / djeluju drugačije. Oni mogu spasiti dan!

Evo dugog odgovora:

  • Pročitaj članak

(uključuje zašto ne možemo srušiti prethodno spomenuti zid)

(dobro pročitajte. nastavite.)

Einstein je nekako pametan.

Ikona teorijske fizike nastala je s teorijom relativnosti (stup moderne fizike), stvorila je oružje kojim bi se okončao najveći rat svih vremena i potaknula najpoznatiju jednadžbu.

Bilo bi potrebno nešto veliko da zbunimo gospodara atoma.

Ili nešto stvarno malo.

Kao ... manji od atoma.

Einstein je možda bio gospodar atoma, ali bio je temeljno zbunjen kada je u pitanju razumijevanje kvantnih čestica (subatomskih čestica).

Srećom, u tome mogu pomoći.

Fizika je kako je znamo i vidimo, definirana je Newtonovim i Einsteinovim zakonima. One su vidljive osobine koje atomi oko nas izgleda prikazuju. Ovi zakoni predstavljaju kako fizički doživljavamo svijet, a definirani su matematičkim sredstvima koja su logična u našem ljudskom umu.

Ali kad posjetimo čestice koje sjede unutar jednog atoma, nailazimo na tako čudna opažanja koja idu u potpunosti protiv naše prirodne intuicije.

Te subatomske čestice igraju se u okviru kvantne mehanike.

Još u 1920-ima Einstein i Niels Bohr izrađivali su naslove sa stalnim sporom oko zakonitosti kvantne mehanike. Dok je Einstein vjerovao da fizička stvarnost postoji neovisno o našoj sposobnosti da je promatramo, Bohr i njegovi sljedbenici vjerovali su da nema smisla spekulirati o "konačnoj stvarnosti" koja postoji izvan naših shvaćanja - da smo sve što možemo i trebali znati rezultati promatranja i mjerenja.

Moderni znanstvenici već puno prije raspravljaju o legitimitetu kvantne mehanike i bave se računalima za iskorištavanje njihovih svojstava.

Dok oni (nadamo se) neće stvoriti još jednu modernu liniju strojeva smrti, kvantna računala čak su i vlade izgledale prilično zainteresirane. Oprosti, Bohr.

Ali razumijevanje kvantne mehanike koja se koristi za računanje čini za nas više nego škakljanje naših znatiželjnih umova (kao što je to učinio za Einstein).

Kvantna računala mogu svladati prepreke koje suzbijaju inovacije u matematici, medicini i dizajnu materijala.

Razumijevanje osnova kvantne mehanike zapravo nije previše teško razumjeti, a da biste stvarno saznali kako kvantna računala mogu spasiti vašu baku, trebali biste pročitati ovo:

Povratak već? Kakve pametne hlače. Započnimo.

Ljudi vole davati zasluge našim kognitivnim sposobnostima i neprestano se hvaliti tehnološki naprednim svijetom u kojem živimo. Svaki je komad tehnologije brži i manji nego ikad prije i pomogao nam je da postignemo veći životni standard kakav nismo mogli ni zamisliti čak i prije 25 godina.

Ovo su sve kiše i jednorozi sve dok ne shvatimo - toliko je problema koji se znanstvenici susreću s tom sitnicom u našem svakodnevnom životu - koji nisu riješeni… i jednostavno ne možemo nastaviti brže ili manje razvijati računala kako bismo ih riješili.

Čekati. Zašto tho?

Zašto ne možemo samo baciti još nekoliko godina na znanstvenike i štrebere koji rade svoje stvari i čekati da nam se pojave stvari poput personalizirane medicine?

Da, sigurno je da će to uspjeti - osim što neće.

Postoje dva glavna pitanja:

  1. Kako rade računala
  2. Računala su stvarno mala

Bitovi na bitove na bitove

Konvencionalna računala ograničena su na to da rade jednu po jednu stvar.

To je zato što digitalno računalo u osnovi prima informacije i obrađuje podatke samo linearno, uredno - putem bitova koji čitaju samo 0 i 1. (Kao što možda sada znate kroz moj članak).

Ako naiđete na problem zbog kojeg naša računala trebaju uzeti u obzir mnoge parametre i situacije - to ne mogu učiniti učinkovito. Da bi došli do rezultata, digitalno računalo mora proći svaku mogućnost prije nego što dođe do zaključka.

Stoga,

Što je problem složeniji, duže treba riješiti ...

Proces korištenja klasičnih bitova za razmatranje višestrukih konfiguracija može potrajati i najveći superračunalo u zemaljskim godinama - i ako pokušavamo dobro umetati u moje mlade odrasle godine ... nešto se mora promijeniti.

Razlog numéro deux:

Naša tehnologija nam fizički neće dopustiti.

Nalazimo se u trenutku u kojem Mooreov zakon više nije važan.

Hmm… tranzistori… zvuči važno.

Možemo razumjeti kako su klasična računala dosegla svoju računsku granicu razumijevanjem tranzistora.

Računala su u osnovi (vrlo složen) elektronički sklop sastavljen od spojnih žica i gomile sklopki koje se može uključiti ili isključiti. Ove se sklopke upravljaju elektroničkim putem (naziva se, elektronički krug), i zovu se tranzistori.

Postavljanjem tranzistora u krug, zaustavljamo i pokrećemo protok električne struje.

Također možete reći da tranzistori postavljaju stanje u krug, odlučujući može li struja strujati ili ne.

Dakle, sada vaš krug ima mogućnost odlučivanja o struji na temelju ovih uvjeta.

U osnovi,

više tranzistora = više uvjeta = više kapija = složenija izračunavanja

Shvatio? Lijepo.

Nagomilajte gomilu vrata na krugu i zapravo imate svoje prijenosno računalo na kojem vjerojatno čitate ovaj članak.

Vrijeme (i gomila štrebera) omogućilo nam je pronalaženje novih proizvodnih tehnika za stvaranje manjih i manjih tranzistora - i njihovo postavljanje na manje prostore (poput sklopova).

Kako su tranzistori sve manji, prostor koji je potreban za mjesto postajao je manji, toliko da smo ih počeli zvati 'čips'.

Tvrtke poput Intela proizvode masovne tranzistore promjera svega 14 nanometara. To je samo 14 puta šire od vaših DNK molekula. To je ludo.

Napravili smo tranzistore tako male da ih sada možemo staviti 4,3 milijarde na čip malen poput sitnice (ako te stvari više postoje).

S ovim mnogim tranzistorima stvorili smo sranje logičke kapije koja ide na rob da bi radili vrlo složene račune za nas. Ponekad ovu visoko složenu računsku moć koristimo iz ne baš složenih ili intelektualnih razloga - poput pomicanja Redditom.

Bilo kako.

Tranzistori su izrađeni od silikona.

Veličina atoma silicija je oko 0,2 nanometra, što čini naše tranzistore širine oko 70 atoma silicija. To ih čini još manjim - manjim nego ikad.

U tako maloj mjeri, počinjemo se baviti nekim abnormalnostima. Čestice, poput elektrona, počinju se ponašati po zakonima kvantne fizike (da, znate za to! Znate što to znači!).

Stoga su ograničenja računske snage prilično izravno povezana s granicom koliko možemo napraviti naše tranzistore.

Dakle ... naša trenutna računala ne mogu riješiti probleme koje oni žele, a ne možemo čak ni računala učiniti moćnijima ili složenijima.

Pa što dovraga?

Evo vraga:

Znanstvenici prave računala koja koriste svojstva kvantne fizike za računanje. Znači, naš proces računanja moći će djelovati na eksponencijalnoj, a ne linearnoj ravnini.

Za što postoje kvantna računala

Kvantna računala se igraju s česticama u Quantum Realm…

Ima smisla.

Budući da kvantna računala mogu simulirati stanja istovremeno, mogu razmatrati više konfiguracija odjednom - i obrađivati ​​izvanrednu količinu informacija.

U stvari, ona može pohraniti eksponencijalno više informacija nego klasični zalogaj.

Snaga eksponencijalne leži u mogućnosti kvantnog računala da udvostruči stanja koja sustav može istovremeno pohranjivati ​​- kada dodate jedan kbit.

Dva qubita mogu pohraniti četiri stanja, tri qubits mogu pohraniti osam stanja, četiri qubits mogu pohraniti 16 stanja ... imate ideju.

U situaciji kada vam je potrebno 50 zapletenih kbita za modeliranje kvantnih stanja, trebate kodirati 1,125 kvadratnih bilijara da biste pohranili istu količinu podataka.

Zašto me briga Tho.

U ovom sam članku učinila ovo jako neuredno što se zove „biti stvarno nejasan“ i zapravo nisam definirala probleme koje klasična računala ne mogu riješiti (a kvantna računala to mogu).

Mislim da je vrijeme da to popravimo.

Razmotrite stvarnu situaciju: molekularnu simulaciju.

Ok, ok. Ostani sa mnom ovdje. Znam da se čini kao da se s tim moraju suočiti samo istraživači i udžbenici u srednjim školama ... ali to shvatite: molekule čine sav materijal oko nas.

To ostavlja obilje prostora za primjenu molekularne simulacije.

Uzmimo problem koji utječe na sve (dosjetke) na ovoj planeti: medicinu.

Od ovog trenutka potrebno je najmanje 12 godina da lijek prođe iz laboratorija u vašu ordinaciju. (Ako to čak i čini tako dalekim.)

Za neke je to vijek trajanja, a za druge koji nemaju 12 godina čekanje na lijek koji im možda neće vratiti zdravlje.

12 godina i najmanje 648 milijuna dolara (do 2,7 milijardi) dolara zbog male vjerojatnosti da možete biti izliječeni od bolesti koju vjerojatno ne želite.

Mala šansa možda vrijedi za vas, ali zanima me otvaranje mogućnosti.

Modeli kemikalija

Način na koji pokušavamo stvoriti lijekove koji spašavaju život jest danas korištenjem kemijskih modelara.

Ovi modeli za kemikalije kontinuirano pokušavaju stvoriti spojeve tako što su prisiljeni približiti kako se ponaša nepoznata molekula, a zatim testirati u stvarnom svijetu da li djeluje kako se očekuje.

Ovaj stalni napredak i proces zahtijeva mnogo i dugotrajne resurse (zdravo, 12 godina i nekoliko milijuna dolara).

To također ne djeluje stvarno.

Molekularna simulacija sve je u pronalaženju osnovnog stanja spoja - njegove najstabilnije konfiguracije. Uz svu križanu praksu u kemijskoj nastavi, ovo može zvučati dovoljno jednostavno. Ali kako biste doista poznavali osnovno stanje molekule, morate uzeti u obzir više od uravnoteženja jednadžbe kostura:

  • kako će svaki elektron u svakom atomu komunicirati sa svim jezgrama ostalih atoma
  • kvantne efekte koji se javljaju na tako malim mjerilima

Kako se povećava veličina molekule, ovi se parametri eksponencijalno teže nositi.

Naši binarni mozgovi i računala ne mogu pumpati optimalnu konfiguraciju u razumno korisnom vremenu.

Čak postoji riječ za to: polinomno vrijeme. Poli-vrijeme je vrijeme koje je potrebno klasičnom računalu da riješi problem.

Koristimo ideju "moći izračunati problem u više vremena", jer da - klasična računala zapravo mogu simulirati molekule - za to će im trebati samo grozno vrijeme.

Čak se i najmoćniji superračunala danas (kojima je to super super) vrlo brzo bore s simulacijom molekule s tri ili više elemenata.

Praćenje eksponencijalne prirode i kvantne interakcije svakog novog elektrona u vezama molekule izuzetno je naporno za klasično računalo (i trenutne modele kemijskih modela).

Ali za kvantno računalo koje se bavi kvantnim interakcijama? Zvuči približno razumno.

Eto.

Klasična računala nisu velika boja kojom bi trebali biti hiper. I kvantna računala su cool.

Mnogi ljudi pretpostavljaju da će porast kvantnih računala značiti da ćete imati računar sa 16 kubika koji vam sjedi u krilu nakon otprilike desetljeća. To je prilično (f̵a̵k̵e̵ ̵n̵e̵w̵s̵) lažno jer su klasična računala sjajna… u nekim aspektima jednostavno nisu toliko sposobna. Neki važni aspekti. Aspekti koji nas drže da ne napravimo cool stvari. Poput molekula. A onda personalizirana medicina. I energetski učinkovite baterije. A možda i učinkovita arhitektura.

Shvatili ste poantu.

Zbog načina na koji konvencionalna računala inherentno djeluju, ne mogu izračunati određene konfiguracije. I zbog ovog članka, sada znate i zašto.

Suprotno onome što je g. Bohr vjerovao, zapravo je važno shvatiti kako se događa nešto tako nevidljivo kao što je kretanje elektrona.

Molekule čine materijal koji nas okružuje i ako želimo optimizirati kako koristimo svoje resurse… ne možemo nastaviti raditi ono što nije radio - koristeći klasična računala za simulaciju materijala za inovaciju. Moramo uložiti u učinkovitost.

Znam da zapravo nisam objasnio kako će Quantum Computers to zapravo učiniti - ali vjerujte mi, to dolazi. Samo nisam htio dosaditi vam dečacima matematičkim objašnjenjem zbog kojih neki od vas možda nisu ovdje.

Pratite zanimljive stvari:

  • LinkedIn
  • Srednji:
  • Cvrkut:
  • DM pridružiti se mom biltenu