Hogyan érzi a Quantum Computers a klasszikus számítógépet?

Miért van szükségünk kvantumszámítógépekre

Nem csak azért, mert nagyon jóak.

Íme a rövid válasz:

  • A világ matematikai és tudományos osztályának van egy olyan fala, amely elõtt „igazán nehéz problémáknak” nevezhetõ (gondolkozz: rák gyógyítása, energiatakarékos akkumulátorok [vagy ehhez bármilyen szempontból energiatakarékos elemek és anyagtervezés).
  • Az emberi agy smol. Tehát számítógépeket készítettünk a dolgok gyorsabb kiszámításához. (A számítógépek csak azt mutatják, hogy az emberek hogyan gondolkodnak, csak gyorsabban.)
  • Még a legerősebb szuperszámítógépnek sem van elegendő számítási képessége a „nagyon nehéz problémáknak” nevezett fal lebontásához.
  • A kvantumszámítógépek „gondolkodnak” / működnek másképp. Megmenthetik a napot!

Íme a hosszú válasz:

  • olvasd el a cikket

(magában foglalja, hogy miért nem tudjuk lebontani az előzőekben említett falat)

(jó olvasni. folytassuk.)

Einstein olyan okos.

Az elméleti fizika ikonja a relativitáselmélettel (a modern fizika oszlopával) jött létre, létrehozott egy fegyvert, amely minden idők legnagyobb háborúját lezárta, és elősegítette a leghíresebb egyenletet.

Kicsit nagy lenne ahhoz, hogy megzavarja az atomok mesterét.

Vagy valami nagyon kicsi.

Mint… kisebb, mint egy atom.

Lehetséges, hogy Einstein az atomok mestere volt, de alaposan összekeveredtek, amikor a kvantumrészecskék (szubatomi részecskék) megértésére került sor.

Szerencsére tudok segíteni ebben.

A fizikát, amit tudunk és látunk, Newtoni és Einstein törvények határozzák meg. Ezek a megfigyelhető tulajdonságok, amelyeket a körülöttünk lévő atomok látszólag ábrázolnak. Ezek a törvények reprezentálják, hogyan fizikailag megtapasztaljuk a világot, és matematikai eszközökkel vannak meghatározva, amelyek logikusak az emberi elménkben.

De amikor meglátogatunk egy atom belsejében levő részecskéket, olyan megfigyelésekkel találkozunk, amelyek olyan furcsa, hogy teljesen ellentétesek természetes intuíciónkkal.

Ezek a szubatomos részecskék a kvantummechanika területén játszanak szerepet.

Az 1920-as években Einstein és Niels Bohr címsorokat készítettek a kvantummechanika legitimitásáról szóló állandó vitájukkal. Miközben Einstein úgy vélte, hogy egy fizikai valóság létezik, függetlenül annak megfigyelési képességétől, Bohr és követői úgy gondolták, hogy nincs értelme spekulálni egy olyan „végs valóságról”, amely felfogásunkon túl létezik - hogy minden, amit tudnunk kell, és tudnunk kell, hogy megfigyelések és mérések.

A modern tudósok már jó ideje vitatják a kvantummechanika legitimitását, és számítógépeket használnak tulajdonságaik kiaknázására.

Noha (remélhetőleg) nem hoznak létre egy újabb divatos halálgép-sorozatot, a kvantumszámítógépeknek még a kormányai is elég érdeklődőnek tűnnek. Sajnálom, Bohr.

De ha megértjük a kvantummechanikát a számításokhoz, akkor többet jelent számunkra, mint elkísértjük kíváncsi elménket (mint Einstein esetében).

A kvantumszámítógépek akadályokat tudnak kitölteni, amelyek visszatartják a matematika, az orvostudomány és az anyagtervezés innovációit.

A kvantummechanika magas szintű alapjainak megértése valójában nem túl nehéz megérteni, és hogy valóban megismerkedhessen azzal, hogy a kvantumszámítógépek hogyan tudják megmenteni a nagyanyádat, olvassa el ezt:

Már vissza? Milyen okos nadrág. Kezdjük el.

Az emberek szeretik hitelt adni kognitív képességeinknek, és folyamatosan dicsekedhetnek a technológiailag fejlett világban, amelyben élünk. Minden technológia gyorsabb és kisebb, mint valaha, és elősegítette a magasabb életszínvonal elérését, amelyet el sem tudtak volna képzelni. még 25 évvel ezelőtt.

Ez mind a szivárvány és az egyszarvú, amíg rájövünk - oly sok probléma van a tudósokkal, hogy a mindennapjainkban becsapják ezt a trükköt - azokat még nem oldották meg, és egyszerűen nem tudjuk gyorsabban vagy kisebb mértékben fejleszteni a számítógépeket, hogy megoldjuk őket.

Várjon. Miért?

Miért nem dobhatunk rá újabb néhány évre a tudósokat és az embereket, akik csinálják a dolgukat, és várhatjuk meg, hogy hozzánk érkezzenek a személyre szabott orvosláshoz hasonló dolgok?

Igen, biztos, hogy ez működni fog - kivéve, ha nem.

Két fő kérdés van:

  1. Hogyan működnek a számítógépek
  2. A számítógépek valóban kicsik

Bitek a biteken

A hagyományos számítógépek egyszerre csak egy dolgot csinálnak.

Ennek oka az, hogy alapvetően a digitális számítógépek csak az információkat lineárisan, rendezetten veszik és dolgozzák fel - olyan biteken keresztül, amelyek csak 0-t és 1-et olvasnak. (Amint ezt már a cikkemben megismerheted).

Ha olyan problémával szembesül, amely miatt számítógépünknek sok paramétert és helyzetet kell figyelembe vennie - nem tudja ezt hatékonyan megtenni. Az eredmény eléréséhez a digitális számítógépnek minden lehetséges lehetőséget át kell dolgoznia, mielőtt következtetést von le.

Ezért,

Minél összetettebb a probléma, annál tovább tart a megoldása ...

A klasszikus biteknek a többféle konfiguráció figyelembe vételéhez szükséges folyamata a legnagyobb földi szuperszámítógépet is igénybe veheti a földi években - és ha új innovációt próbálunk tartani a fiatal felnőttkoromban ... valamit meg kell változtatni.

Ok numéro deux:

Technológiánk fizikailag nem engedi meg.

Olyan helyzetben vagyunk életünkben, amikor a Moore törvénye már nem releváns.

Hmm ... tranzisztorok ... fontosnak hangzik.

Megérthetjük, hogy a klasszikus számítógépek miként értik el számítási korlátaikat a tranzisztorok megértésével.

A számítógépek alapvetően egy (nagyon összetett) elektronikus áramkör, amely összekötő vezetékekből és egy csomó kapcsolóból áll, amelyek be- vagy kikapcsolhatók. Ezeket a kapcsolókat elektronikusan vezérlik (duh, elektronikus áramkörnek hívják), és tranzisztoroknak hívják.

Azáltal, hogy tranzisztorokat helyezünk el egy áramkörre, megállítjuk és elindítjuk az elektromos áram áramlását.

Azt is mondhatják, hogy a tranzisztorok feltételeket hoznak az áramkörre, eldöntve, hogy áramlik-e az áram.

Tehát most az áramkör ezen feltételek alapján képes eldönteni az áram áramlását.

Szóval alapvetően,

több tranzisztor = több feltétel = több kapu = bonyolultabb számítások

érted? Szép.

Halom egy kapu-ra egy áramkörön, és alapvetően megvan a laptopja, amelyen valószínűleg olvassa ezt a cikket.

Az idő (és egy csomó majom) lehetővé tette számunkra, hogy új gyártási technikákat találjunk kisebb és kisebb tranzisztorok létrehozására - és kisebb helyekre (például áramköri táblákra) való felszerelésére.

Ahogy a tranzisztorok kisebbek lettek, a helyhez szükséges hely egyre kisebb lett, annyira, hogy elkezdtük őket „chipeknek” hívni.

Az Intelhez hasonló cégek tömegtermelő tranzisztorok, amelyek átmérője mindössze 14 nanométer. Ez csak 14-szer szélesebb, mint a DNS-molekuláid. Ez őrület.

Olyan kisméretűvé tettük a tranzisztorokat, hogy most 4,3 milliárd darabot tudunk beilleszteni egy centre olyan kicsi chipre (ha ezek a dolgok már léteznek).

Ennek a sok tranzisztornak köszönhetően egy csomó logikai kaput hozott létre, amelyek rabszolgaságon állnak, hogy rendkívül összetett számításokat végezzenek nekünk. Időnként ezt a rendkívül összetett számítási teljesítményt használjuk nem túl összetett vagy intellektuális okokból - például a Redditben való görgetés során.

Egyébként.

A tranzisztorok szilikonból készülnek.

A szilícium atomméretét körülbelül 0,2 nanométerre tesszük, így tranzisztorunk kb. Ez lehetővé teszi, hogy még kisebbekké váljanak - kisebbek, mint valaha.

Kicsiben elkezdünk foglalkozni bizonyos rendellenességekkel. A részecskék, mint az elektronok, elkezdenek viselkedni a kvantumfizika törvényei szerint (jaj neked! Tudod, mit jelent ez!).

Ezért a számítási teljesítmény korlátai nagyon közvetlenül összefüggenek azzal a határértékkel, hogy mekkora képessé tehetjük tranzisztorunkat.

Tehát… jelenlegi számítógépeink nem tudják megoldani a problémákat, amire szükségünk van, és még a számítógépeket sem tehetjük még erősebbé vagy összetettebbé.

Mi a fene?

Itt a pokol:

A tudósok számítógépeket készítenek, amelyek a kvantumfizika tulajdonságait használják a számításokhoz. Ez azt jelenti, hogy a számítási folyamataink exponenciális, nem pedig lineáris síkon fognak működni.

Milyen léteznek kvantumszámítógépek

A kvantum számítógépek a Quantum Realm részecskékkel játszanak…

Van értelme.

Mivel a kvantumszámítógépek egyidejűleg szimulálhatják az állapotokat, megfontolhatja egyszerre több konfigurációt - és rendkívüli mennyiségű információt dolgozhat fel.

Valójában exponenciálisan több információt képes tárolni, mint egy klasszikus bit.

Az 'exponenciális' teljesítmény abban rejlik, hogy egy kvantum számítógép képes megduplázni azokat az állapotokat, amelyeket a rendszer egyidejűleg tárolhat - miközben egyetlen qubit-t ad hozzá.

Két kvbit négy állapotot képes tárolni, három kvíz nyolc állapotot képes tárolni, négy kvíz 16 állapotot képes tárolni ... megkapod az ötletet.

Abban az esetben, ha 50 kvantumra van szüksége a kvantumállapotok modellezéséhez, akkor 1,125 kvadrillió klasszikus bitet kell kódolnia ugyanannyi információ tárolására.

Miért érdekel Tho.

A cikk egészében ezt a nagyon rendetlen dolgot csináltam, melynek neve „igazán homályos”, és nem fogalmaztam meg azokat a problémákat, amelyeket a klasszikus számítógépek nem tudnak megoldani (és a kvantumszámítógépek képesek).

Azt hiszem, itt az ideje ezt kijavítani.

Vegyünk egy valós helyzetet: molekuláris szimuláció.

Oké oké. Maradj itt velem. Tudom, hogy ez olyannak tűnik, amivel csak a kutatóknak és a középiskolai tankönyveknek kell foglalkozniuk ... de fel kell ismernünk ezt: a molekulák alkotják az összes anyagot körülöttünk.

Ez bőséges teret hagy a molekuláris szimulációk alkalmazásához.

Vegyünk egy olyan problémát, amely a bolygó mindenkiét érintheti (szándékosan): orvostudomány.

Jelenleg legalább 12 évig tart, amíg a gyógyszer eljut a laboratóriumból az orvosszekrénybe. (Ha még ilyen messzire eljut.)

Egyesek számára ez egy élettartam, mások számára pedig olyan luxus, amelyben nincs 12 éve várakozás olyan gyógyszerre, amely esetleg még nem állítja helyre az egészségüket.

12 év, és legalább 648 millió dollár (2,7 milliárd dollár) az a kis esély, hogy gyógyítható betegségből, amelyet valószínűleg nem akar.

Lehetséges, hogy megkérdezi a kis esélyt neked, de érdekel az a lehetőség hiányosságainak megnyitása.

Vegyi anyagok modelljei

Az életmentő gyógyszerek előállítására manapság kémiai modellezők használatával próbálunk készülni.

Ezek a vegyianyag-modellek folyamatosan kísérletet tesznek vegyületek létrehozására azáltal, hogy kényszerítik, hogy felmérjék egy ismeretlen molekula viselkedését, majd teszteljék azt a való világban, hogy meggyőződjenek arról, hogy a várt módon működik-e.

Ez az állandó oda-vissza folyamat idő- és erőforrásigényes (hello, 12 év és néhány millió dollár).

Az sem igazán működik.

A molekuláris szimuláció az, hogy megtaláljuk a vegyület alapállapotát - annak legstabilabb konfigurációját. A kemikórán keresztüli gyakorlat révén ez elég könnyűnek hangzik. De ahhoz, hogy valóban megismerjük a molekula alapállapotát, nem csupán a váz-egyenlet kiegyensúlyozásáról kell gondolni:

  • hogy az egyes atomok minden elektronja hogyan fog kölcsönhatásba lépni az összes többi atommaggal
  • a kvantumhatások, amelyek ilyen kis méretekben jelentkeznek

Ezeket a paramétereket exponenciálisan nehezebb kezelni, amikor a molekula mérete növekszik.

Bináris agyunk és számítógépeink nem tudnak optimális konfigurációt kiszámítani ésszerűen hasznos időn belül.

Még egy szó is ehhez: polinomiális idő. A többidő az az idő, amely a klasszikus számítógépnek igénybe veszi a problémát.

Arra a gondolatra gondolunk, hogy „képes egy probléma kiszámításához több idő alatt”, mert igen - a klasszikus számítógépek valóban képesek szimulálni a molekulákat - ezeknek csak szörnyű idő szükséges.

Még a mai legerősebb szuperszámítógépek (amelyek közül a legkevésbé szuper) nagyon gyorsan küzdenek egy vagy több elemből álló molekula szimulációjával.

A klasszikus számítógép (és a jelenlegi kémiai modellezők) számára rendkívül munkaigényes az egyes új elektronok exponenciális természetének és kvantum-kölcsönhatásainak nyomon követése a molekula kötéseiben.

De egy kvantum számítógép számára, amely foglalkozik a kvantum kölcsönhatásokkal? Nagyon ésszerűnek hangzik.

Így.

A klasszikus számítógépek nem az a nagy boj, amire fel vannak készülve. És a kvantumszámítógépek hűvösek.

Sokan azt gondolják, hogy a kvantumszámítógépek növekedése azt jelentené, hogy körülbelül egy évtized alatt 16 bites számítógép ül az ölében. Ez nagyon sok (f falsea̵k̵e̵ ̵n̵e̵w̵s̵) hamis, mert a klasszikus számítógépek nagyszerűek ... bizonyos szempontból csak nem annyira képesek. Néhány fontos szempont. Azok a szempontok, amelyek visszatartanak minket a jó dolgok készítésétől. Mint a molekulák. És akkor személyre szabott orvoslás. És energiatakarékos akkumulátorok. És talán a hatékony építészet.

Megkapod a pontot.

Mivel a hagyományos számítógépek eredendően működnek, nem tudnak kiszámítani bizonyos konfigurációkat. És e cikk miatt most már tudja, miért.

Bohr úr hiteivel ellentétben valóban fontos megérteni, hogy történik valami olyan megfigyelhetetlen, mint az elektronmozgás.

A molekulák alkotják az anyagot körülöttünk, és ha optimalizálni akarjuk az erőforrásaink felhasználását ... akkor nem folytathatjuk azt, ami nem működött - klasszikus számítógépeket használunk az anyagok innovációjának szimulálására. Be kell fektetnünk a hatékonyságba.

Tudom, hogy valójában nem magyaráztam el, hogy a Quantum Computers hogyan fogja ezt megtenni - de bízz bennem, ez jön. Csak nem akartam matematikai magyarázattal fárasztani magukat srácok, akik közül néhányan talán nem itt vannak.

Kísérje figyelemmel az izgalmas dolgokat:

  • LinkedIn
  • Közepes:
  • Twitter:
  • DM, hogy csatlakozzon a hírlevélhez