Колекции

Квантови алгоритми и бъдещето на посткласическите изчисления

Квантови алгоритми и бъдещето на посткласическите изчисления


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Това е последната статия от серия от седем части за Алгоритми и изчисления, която изследва как използваме прости двоични числа за захранване на нашия свят. Първата статия, Как алгоритмите управляват света, в който живеем, можете да намерите тук.

Като хилядолетен старейшина навърших пълнолетие точно като най-важното човешко изобретение, откакто колелото започна да се показва в нашите пощенски кутии в средата на 90-те години: компактдискове със софтуер, предлагащи безплатни пробни версии за услуги като Америка онлайн, Compuserve, и Вундеркинд. Тези първи изследователски стъпки в това революционно цифрово пространство дойдоха, когато бяхме достатъчно възрастни, за да си спомним ясно живота преди Интернет, но все още достатъчно млади, за да възприемем технологията по начини, по които родителите ни не можеха.

С удоволствие натрупахме сметки от хиляди долари за кредитни карти, които се подаваха в чат стаи, табла за съобщения, незабавни съобщения и друго изконно интернет съдържание - така е, деца, тогава трябваше да платим за интернет по час--но това беше проблемът на мама и татко, имахме цял цивилизационно променящ се преход, в който да участваме. Трансформационният прогрес в световен мащаб обикновено отнема време, дори поколения, за да се постигне, но ние го извършихме за по-малко от десетилетие и прекарахме още десетилетие, разширявайки границите на възможното с компютър и интернет връзка и, за съжаление, започнахме да се сблъскваме с тези граници доста бързо.

Възходът и упадъкът на класическия компютър

За всички намерения и цели Интернет е основната сила на класическите изчисления. Свързани в мрежа, милиарди компютри от всяка форма и размер си сътрудничат чрез алгоритми, радиосигнали и оптични кабели, за да създадат начин на живот, който доколкото знаем е уникален във Вселената. Още по-невероятно е, че класическите изчисления постигнаха това за по-малко от две поколения човешки същества, скорост на технологичен прогрес без исторически прецедент.

СВЪРЗАНИ: КАКВО ТОЧНО ЩЕ ПРОМЕНИ КВАНТОВИТЕ ИЗЧИСЛЕНИЯ

За 40 години, Законът на Мур движеше безпрецедентния човешки прогрес от следвоенната ера, но силициевият компютърен чип е физически материал, така че се управлява от законите на физиката, химията и инженерството. След минимизиране на транзистора на интегрална схема до наноскопичен мащаб, транзисторите просто не могат да продължават да стават по-малки на всеки две години. С милиарди електронни компоненти гравиран в твърда, квадратна пластинка от силиций не повече от 2 инча широк, можете да преброите броя на атомите, които съставляват отделните транзистори.

Неотдавнашните проблеми на Intel с очевидните уязвимости в сигурността на техните процесори са пряк резултат от това инженерите да се опитат да измислят креативни начини за подобряване на производителността и скоростта на процесора, когато вече не е възможно да се подобри физически самата интегрална схема. Тъй като транзисторите се свиха до само 7 нанометра дълго, инженерите ни стигнаха до точката, при която транзисторите използват възможно най-малък брой атоми за изграждане на работещ компонент. Всеки по-малък и структурната цялост на транзистора бързо ще се разруши и ще загуби способността си да съдържа и насочва електрическия ток, който предава информацията, която прави компютрите толкова мощни.

Компютрите никога не са били по-бързи или по-пъргави, когато става въпрос за превключване и манипулиране на електрическия ток, който задвижва неговите операции, но просто не можете да накарате електроните да се движат със скорост, различна от определената от средата, през която се движи . Единственият начин да се "ускори" потокът на електрони е да се намали разстоянието, което трябва да измине между логическите порти, така че операциите дават резултати с няколко трилионни секунди по-бързо от преди, което е, което правим от 40 години.

Съвременните компютърни процесори са безспорно бързи, но за съжаление не са достатъчно бързи. Въпреки невероятната си мощ, класическият компютър е ефективно победен от математическите реалности на неразрешими, но критично важни проблеми като оптимизация и сгъване на протеини. Последователният характер на класическата компютърна работа означава, че сами по себе си те никога няма да могат да изпреварят скоростта на растеж на O (2н) или На!) проблем.

Никой не иска да приеме, че невероятното технологично пътуване, на което се радвахме през последния половин век, приключва, но ако не бъдат намерени алгоритми, които могат да осигурят пряк път около този темп на растеж, трябва да гледаме отвъд класическия компютър ако искаме да запазим сегашния си темп на технологичен прогрес.

Hype Around Post-Classical Computing звучи утопично, но изненадващо обосновано

Квантовите изчисления са тема, в която много хора, включително и аз, са се объркали в миналото и има хора, които предпазват да не се вярва твърде много на способността на квантовия компютър да ни освободи от изчислителния задънена улица, в която сме заседнали.

Технологията е в зародиш и има редица причини да се съмняваме, че някога ще видим квантовия компютърен еквивалент на домашния компютър Apple II. Не трябва да овладявате само кубитите; трябва също така да откриете материал, способен да има свръхпроводимост със стайна температура, както и да разберете как ще поддържате вътрешна среда за кубитите, която трябва да се поддържа възможно най-близо до абсолютната нула, за да работи.

Освен това по-голямата част от работата, която компютърът трябва да свърши, няма да бъде изпълнена по-бързо на квантов компютър, отколкото на класически. Последователните операции не са нещо, за което са предназначени квантовите компютри, така че дълго след като квантовите компютри напълно пристигнат, ние все още ще използваме класически компютри в обозримо бъдеще, докато квантовите компютри вероятно ще останат в корпоративни и национални лаборатории с услуги за обработка, предоставяни чрез облачни изчисления на алгоритъм по алгоритъм.

За цялата работа, необходима за създаване и поддържане на кубити в суперпозиция, квантовите компютри всъщност не правят много от нищо в момента и това вероятно ще остане така поне още малко. Ще ви бъде простено да мислите, че квантовите компютри са много шапка и никакъв добитък, но това също би било сериозна неправилна характеристика на състоянието на технологията и гласове за значението на това, което ние вече знаем току-що идва над хоризонта.

Една от силните страни на математическите системи е тяхната доказуемост с логика. Ако можем логично да докажем, че нещо е вярно, тази истина никога няма да се промени. Това е нещо, което ни дава увереност да изграждаме ракети и космически кораби, които могат да бъдат пилотирани с почти точна точност на разстояние от четири милиарда мили и мили, и затова можем да кажем, че квантовите изчисления няма да бъдат просто трансформативни, можем да ви кажем точно защо.

През 25-те години, откакто Питър Шор публикува първия квантов алгоритъм - който показа, че разлагането на първи числа на цели числа може да се извърши на квантови компютри за полиномиално време - математиците и компютърните учени разработиха други квантови алгоритми, които се справят с проблемите, които класическите компютри се борят да решат . От тези десетки квантови алгоритми, много от тях са с порядъци по-бързи от най-ефективния класически алгоритъм, който познаваме и са възможни само поради уникалната квантова среда, в която работят.

Някои от най-важните работи в областта на квантовите изчисления са създаването на алгоритми, които симулират различни квантови системи, които се появяват във всичко - от лазерните технологии до медицината. Тези алгоритми ще могат да превъзхождат подобни класически изчислителни симулации с голяма разлика. В момента класическите алгоритми, които извършват молекулярна симулация, са ограничени във видовете молекули, които той може да симулира. Тези алгоритми обикновено са ограничени до молекули с по-малко от 70 спин-орбитали, повече от това и сложността на симулацията нараства толкова бързо, че става неразрешима.

Междувременно един кубит може да представлява една от тези орбитали достатъчно ефективно, така че квантовият компютър със само 100 кубита - квантовият компютър D-Wave 2X има 1152 кубита, въпреки че е създаден, за да изпълнява пространствен алгоритъм, а не като общо предназначение квантов компютър - би позволил молекулярни симулации, които класическите компютри дори не са близо до способността да симулират и вероятно никога няма. Тези симулации могат потенциално да разкрият всякакви неизвестни досега съединения, които могат да осигурят нови терапии за произволен брой заболявания.

Има квантови алгоритми за всичко - от първоначални търсения в дълбочина и квантови разходки по графика до решаване на системи от линейни уравнения, диференциални уравнения и дори постигане на напредък по някои класове оптимизационни задачи, като адиабатна оптимизация. Това, което липсва на тези алгоритми обаче, е достатъчно мощен квантов компютър с достатъчно кубити, за да работи.

Това обаче няма да е вечно и когато дойде моментът да свалите тези алгоритми от рафта и да ги приведете в действие, някои от най-разочароващите неразрешими, експоненциално и факториално сложни проблеми в бизнеса, администрацията, медицината, инженерство и много други ще бъдат разрешени за суперполиномиално време или по-бързо. Тези печалби са истинската сделка и те са гарантирани от логиката си да работят; единственият въпрос е само колко време ще отнеме тези компютри да пристигнат.

Предефиниране на компютъра за посткласическата епоха

Проблемът, пред който са изправени класическите компютри напред, е присъщ на електронната природа на самите компютри. Еволюирайки от прости електронни схеми, компютрите използват много специфична изчислителна методология за решаване на проблеми и така той е постоянно заключен в последователния модел за изчисляване на двоични числа, който електрониката използва повече от век. Доминиращото място на този модел в нашата технология не означава, че това е единственият начин за извършване на изчисления.

Spintronics, която използва спина на електроните и магнитните свойства, които този спин произвежда, показва най-обещаващото като механизъм за съхранение поради своята непроницаемост към външни магнитни смущения, вид, който може да изтрие цели твърди дискове, които разчитат на съвременната феромагнитна технология за съхранение на данни .

Магнитните качества на електроните също предполагат, че би могъл да бъде изграден спинтронен полупроводников транзистор, който би могъл да върне закона на Мур, поне за известно време. Атомите може да са малки, но те са почти всички ядра. Междувременно електроните, които обикалят около ядрото, са с порядъци по-малки от самия атом, така че би трябвало да е възможно да се опаковат хиляди пъти повече спинтронни транзистори върху текущи силициеви чипове, давайки възможност на класическите компютри да заобиколят целия този закон на физиката и проблем с химията.

Отдалечавайки се от нашата мания по силициевите чипове, има още една основна област на изчислителните изследвания, която притежава невероятен потенциал. Изчисляването на ДНК може да изглежда объркващо и може би малко странно на пръв поглед, но ако се замислите, това е очевиден кандидат за посткласически изчислителни изследвания и разработки.

Откакто първите нишки на ДНК кодираха инструкциите за създаване и действие на едноклетъчни организми, тя се превърна в мощен механизъм за предаване и съхранение на данни, но сега изследователите ровят по-дълбоко в отделните градивни елементи на самата ДНК , и това е потенциал като изчислителен механизъм сам по себе си.

Изследванията показват [PDF], че четирите различни аминокиселини - A, T, C и G -, които служат като градивни елементи на ДНК, могат да бъдат преназначени да действат като кодируеми битове. Когато се смесват, тези аминокиселини естествено се сглобяват в нишки на ДНК и не просто в която и да е ДНК, а във всички различни възможни пермутации на ДНК с наличните материали.

Това е потенциално променяща играта иновация, тъй като извършването на операции върху суперпозиция на кубити не е същото като истинските паралелни изчисления. Квантовите компютри ще ви дадат само един изход, или стойност, или получено квантово състояние, така че тяхната помощна програма за решаване на проблеми с експоненциална или факториална времева сложност ще зависи изцяло от използвания алгоритъм.

Изчисляването на ДНК обаче използва способността на тези аминокиселини да се изграждат и сглобяват в дълги нишки на ДНК. Смесете тези аминокиселини и те естествено ще се превърнат в по-дълги и по-сложни пермутации от комплекта на аминокиселини. Ако сте следвали поредицата, тези думи е трябвало да ви изскочат. Пермутацията е процес с факториална сложност във времето и това е основното предизвикателство, което трябва да бъде преодоляно, ако ще решим NP-пълен проблем. Пермутациите са най-важни оптимизация, и е по-вероятно дори от квантовия компютър да намери оптимизация отвъд способността му да решава.

Това прави ДНК изчисленията толкова вълнуващо ново развитие. Ако кодираме името на град в проблема с пътуващия продавач като някаква комбинация от аминокиселини и хвърлим всички тези аминокиселини в бехерова чаша, след като започнат да се самосглобяват в нишки на ДНК, правилното решение на проблема с пътуващия продавач ще растат органично от този процес.

След по-малко от минута решението на проблема с пътуващия продавач ще седи в тази чаша под формата на нишка ДНК и предизвикателството става намирането на начин за филтриране на грешните отговори, докато успеем да изолираме това оптимално решение. Филтрирането на безброй неправилни нишки на ДНК, за да се намери оптималната, не е малка задача, без съмнение, но също така не проблем на пермутиращ всяка възможна верига на ДНК. Както видяхме в алгоритъма на Шор, понякога ключът към намирането на решение на нерешим проблем е да го превърнем в еквивалентен проблем, който е по-лесен за решаване.

Въпреки че все още е трудно да се направи изчислително нещо, това е много по-просто от грубото налагане на пермутации и валидирането им след това, за да се намери най-добрият път, който нашият продавач да предприеме. Текущите изследвания на ДНК изчисленията ще разкрият след време истинската му ефективност, но самосглобяващите се ДНК нишки предлагат обещанието за истински паралелни изчисления, нещо, което дори квантовите изчисления не могат да претендират.

Наближаваме бързо технологичен хоризонт на събитията

Напълно възможно е, преди да видим каквото и да е от това, човечеството в крайна сметка да се бомбардира в нова тъмна епоха, от която се възстановяват хиляди години.

Важно е да запомните, че докато напредъкът не е гарантиран, промяната винаги е такава и видът на технологичното и научно отстъпление, което тази нова тъмна епоха би представлявала, е единственото сравнение, което мога да направя, което улавя мащаба на промяната, която може да дойде от прехода към посткласическата епоха.

Човечеството наистина се доближава до нищо по-малко от технологичния хоризонт на събитията. Има нещо от другата страна на класическото-пост-класическо разделение, вероятно ще бъде далеч по-масивно, отколкото изглежда оттук, и всякакви прогнози за това, което ще открием, след като преминем през него, са толкова добри, колкото и на всеки друг .

Макар да може да бъде забавно да се спекулира за конкретен напредък, това, което в крайна сметка ще има значение много повече от всеки един аванс, ще бъдат синергиите, произведени от тези различни аванси, работещи заедно. Синергиите са по-големи от сумата на техните части, но какво означава това, когато частите ви са блокчейн, 5G мрежи, квантови компютри и усъвършенстван изкуствен интелект?

Каквото и да се окаже, то ще предефинира изчисленията, каквито го познаваме и последиците от новите системи, които ще създадем чрез интегрирането на тези различни модели, ще бъдат толкова огромни, че единственото, което със сигурност знам е, че преминаването ни в пост- класическият свят е гарантирано еднопосочно пътуване.


Гледай видеото: How Does a Quantum Computer Work? (Юли 2022).


Коментари:

  1. Halbert

    Прекрасно, много ценно нещо

  2. Bar

    Не може да бъде!

  3. Risa

    Не можете ли да го обясните по -подробно?



Напишете съобщение