Colecții

Algoritmi cuantici și viitorul calculului post-clasic

Algoritmi cuantici și viitorul calculului post-clasic


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.

Acesta este ultimul articol dintr-o serie de șapte părți despre algoritmi și calcul, care explorează modul în care folosim numere binare simple pentru a ne alimenta lumea. Primul articol, Cum conduc algoritmii lumea în care trăim, pot fi găsite aici.

Ca bătrân milenar, am ajuns la vârsta majorității la fel ca cea mai importantă invenție umană de când roata a început să apară în cutiile noastre poștale la mijlocul anilor 1990: CD-uri software care oferă încercări gratuite pentru servicii precum America Online, Compuserve, și Minune. Acei primi pași exploratori în acest spațiu digital revoluționar au venit când eram suficient de mari pentru a ne aminti cu claritate de viața dinaintea internetului, dar încă suficient de tineri pentru a îmbrățișa tehnologia în moduri în care părinții noștri nu puteau.

Am câștigat cu plăcere facturi de carte de credit de mii de dolari, care se învârteau în camerele de chat, panourile de mesaje, mesageria instantanee și alte tipuri de conținut primordial de internet - așa sunt copiii, atunci trebuia să plătim pentru internet cu ora--dar asta a fost problema mamei și tatălui, am avut o întreagă tranziție de modificare a civilizației la care să participăm. Progresul transformațional la scară globală necesită în mod normal timp, chiar generații, pentru a-l realiza, dar am reușit în mai puțin de un deceniu și am petrecut încă un deceniu împingând limitele a ceea ce era posibil cu un computer și o conexiune la internet și, din păcate, am început să trecem în aceste limite destul de repede.

Creșterea și declinul computerului clasic

Din toate punctele de vedere, Internetul constituie turul forței de calcul clasice. În rețea împreună, miliarde de computere de fiecare formă și dimensiune colaborează prin algoritmi, semnale radio și cabluri de fibră optică pentru a produce un mod de viață care, din câte știm, este unic în univers. Și mai incredibil este faptul că calculul clasic a realizat acest lucru în mai puțin de două generații de ființe umane, o rată de progres tehnologic fără precedent istoric.

ÎN LEGĂTURĂ: CE SE VĂ SCHIMBĂ EXACT CU INFORMATICA CUANTUMĂ?

Pentru 40 de ani, Legea lui Moore a condus progresul uman fără precedent din perioada postbelică, dar un cip de siliciu este un material fizic, deci este guvernat de legile fizicii, chimiei și ingineriei. După miniturizarea tranzistorului pe un circuit integrat la o scară nanoscopică, tranzistoarele nu pot continua să se micșoreze la fiecare doi ani. Cu miliarde de componente electronice gravat într-o napolitană solidă și pătrată de siliciu nu mai mult de 2 centimetri lățime, puteți număra numărul de atomi care alcătuiesc tranzistoarele individuale.

Problemele recente ale Intel cu vulnerabilități de securitate evidente la procesoarele lor sunt rezultatul direct al inginerilor care trebuie să încerce să găsească modalități creative de a îmbunătăți performanța și viteza procesorului atunci când nu mai este posibilă îmbunătățirea fizică a circuitului integrat în sine. Pe măsură ce tranzistoarele s-au micșorat la doar 7 nanometri mult timp, inginerii ne-au adus la punctul în care tranzistoarele folosesc cel mai mic număr de atomi posibil pentru a construi o componentă de lucru. Orice mai mic și integritatea structurală a tranzistorului s-ar defecta rapid și își va pierde capacitatea de a conține și direcționa curentul electric care transmite informațiile care fac computerele atât de puternice.

Computerele nu au fost niciodată mai rapide sau mai agile când vine vorba de comutarea și manipularea curentului electric care îi alimentează operațiunile, dar pur și simplu nu puteți obține electronii să se deplaseze cu o viteză diferită de cea determinată de mediul prin care traversează . Singura modalitate de a „accelera” fluxul de electroni este de a reduce distanța pe care trebuie să o parcurgă între porțile logice, astfel încât operațiunile să producă rezultate cu câteva trilioane de secundă mai rapide decât înainte, ceea ce am făcut pentru 40 de ani.

Procesoarele moderne de computer sunt incontestabil de rapide, dar, din păcate, nu sunt suficient de rapide. În ciuda puterii sale incredibile, computerul clasic a fost învins în mod eficient de realitățile matematice ale unor probleme insolubile, dar de o importanță critică, cum ar fi optimizarea și plierea proteinelor. Natura secvențială a funcționării clasice a computerului înseamnă că, singuri, nu vor putea depăși niciodată rata de creștere a unui O (2n) sau Pe!) problemă.

Nimeni nu vrea să accepte că incredibila plimbare tehnologică de care ne-am bucurat în ultima jumătate de secol se apropie de sfârșit, dar dacă nu se găsesc algoritmi care pot oferi o scurtătură în jurul acestei rate de creștere, trebuie să privim dincolo de computerul clasic dacă vrem să ne menținem ritmul actual de progres tehnologic.

Hype în jurul informaticii post-clasice sună utopic, dar surprinzător de justificat

Calculul cuantic este un subiect în care mulți oameni, inclusiv eu, am greșit în trecut și există cei care avertizează să nu pună prea multă credință în capacitatea unui computer cuantic de a ne elibera de fundul de calcul în care suntem blocați.

Tehnologia este la început și există numeroase motive pentru a ne îndoi că vom vedea vreodată echivalentul computerului cuantic al computerului Apple II de acasă. Nu trebuie doar să le stăpânești pe qubits; ar trebui, de asemenea, să descoperiți un material capabil de supraconductivitate la temperatura camerei și să vă dați seama cum ați menține un mediu intern pentru qubit-uri care trebuie păstrate cât mai aproape de zero absolut pentru a funcționa.

În plus, marea majoritate a muncii pe care trebuie să o facă un computer nu va fi efectuată mai repede pe un computer cuantic decât pe unul clasic. Operațiile secvențiale nu sunt genul de lucruri pentru care sunt concepute computerele cuantice, atât de mult după ce computerele cuantice vor ajunge pe deplin, vom folosi în continuare calculatoare clasice pentru viitorul previzibil, în timp ce computerele cuantice vor rămâne probabil în laboratoare corporative și naționale cu servicii de procesare furnizate prin intermediul cloud computing pe baza algoritmului bazat pe algoritmi.

Pentru toată munca necesară pentru crearea și menținerea qubits-urilor în suprapunere, computerele cuantice nu prea fac nimic în acest moment și probabil că acest lucru va rămâne valabil cel puțin o vreme. Ți-ar fi iertat că te gândești că computerele cuantice sunt o mulțime de pălării și nu au vite, dar asta ar fi, de asemenea, o caracterizare greșită gravă a stării tehnologiei și analizează semnificația a ceea ce știm deja abia acum vine peste orizont.

Unul dintre punctele forte ale sistemelor matematice este probabilitatea lor cu logica. Dacă putem dovedi că un lucru este adevărat logic, acel adevăr nu se va schimba niciodată. Acesta este genul de lucruri care ne oferă încredere pentru a construi rachete și nave spațiale care pot fi pilotate cu o precizie aproape precisă de la patru miliarde și jumătate de mile distanță și de aceea putem spune că calculul cuantic nu va fi doar transformator, vă putem spune exact de ce.

În cei 25 de ani de când Peter Shor a publicat primul algoritm cuantic - care a arătat că factorizarea primă a numerelor întregi se poate face pe computerele cuantice în timp polinomial - matematicienii și informaticienii au dezvoltat alți algoritmi cuantici care abordează problemele pe care computerele clasice s-au străduit să le rezolve. . Dintre aceste zeci de algoritmi cuantici, mulți dintre ei sunt ordine de mărime mai rapide decât cel mai eficient algoritm clasic pe care îl cunoaștem și sunt posibili doar datorită mediului cuantic unic în care operează.

Unele dintre cele mai importante lucrări în domeniul calculului cuantic au fost crearea de algoritmi care simulează diferite sisteme cuantice care apar în orice, de la tehnologia laser la medicină. Acești algoritmi vor putea depăși simulările clasice de calcul similare cu o marjă largă. În prezent, algoritmii clasici care efectuează simulare moleculară sunt limitați în tipurile de molecule pe care le poate simula. Acești algoritmi sunt de obicei limitați la molecule cu mai puțin de 70 de spin-orbitali, mai mult decât atât, iar complexitatea simulării crește atât de repede încât să devină intratabilă.

Între timp, un singur qubit poate reprezenta unul dintre acești orbitali suficient de eficient, astfel încât un computer cuantic cu numai 100 de qubiți - computerul cuantic D-Wave 2X are 1152 de qubiți, deși a fost construit pentru a rula un algoritm spațial, nu ca scop general computer cuantic - ar permite simulări moleculare pe care computerele clasice nu sunt nici măcar aproape de a fi capabile să le simuleze și, probabil, nu le vor face niciodată. Aceste simulări pot dezvălui potențial orice fel de compuși necunoscuți anterior care pot oferi terapii noi pentru orice număr de boli.

Există algoritmi cuantici pentru orice, de la căutări în profunzime și treceri cuantice peste un grafic până la rezolvarea sistemelor de ecuații liniare, ecuații diferențiale și chiar progresul în anumite clase de probleme de optimizare, cum ar fi optimizarea adiabatică. Totuși, ceea ce lipsește acestor algoritmi este un computer cuantic suficient de puternic, cu suficienți qubits pentru a rula.

Totuși, nu va fi cazul pentru totdeauna, iar când va veni momentul să scoatem acești algoritmi de pe raft și să-i punem la treabă, unele dintre cele mai frustrante probleme intratabile, exponențial și factorial complexe în afaceri, administrație, medicină, inginerie și multe altele vor fi rezolvate în timp superpolinomial sau mai repede. Aceste câștiguri sunt adevărata afacere și sunt garantate de logica lor de a lucra; singura întrebare este doar cât va dura până când vor ajunge aceste computere.

Redefinirea computerului pentru epoca post-clasică

Problema cu care se confruntă computerele clasice în viitor este intrinsecă naturii electronice a computerelor în sine. Evoluând de la circuite electronice simple, calculatoarele folosesc o metodologie de calcul foarte specifică pentru a rezolva problemele și astfel sunt blocate permanent în modelul de calcul al numărului binar secvențial pe care electronica îl folosește de mai bine de un secol. Locul dominant al acestui model în tehnologia noastră nu înseamnă că este singura modalitate de a efectua calcule.

Spintronics, care folosește rotirea electronilor și proprietățile magnetice pe care le produce acest spin, prezintă cea mai promițătoare ca mecanism de stocare datorită impermeabilității sale la perturbațiile magnetice externe, genul care poate șterge întregul disc dur care se bazează pe tehnologia actuală de stocare a datelor feromagnetice .

Calitățile magnetice ale electronilor sugerează, de asemenea, că ar putea fi construit un tranzistor spintronic, semiconductor, care ar putea readuce la viață Legea lui Moore, cel puțin pentru o vreme. Atomii ar putea fi mici, dar sunt aproape tot nucleul. Între timp, electronii care orbitează nucleul sunt ordine de mărime mai mici decât un atom în sine, așa că ar trebui să fie posibil să se împacheteze de mii de ori mai mulți tranzistori spintronici pe cipurile de siliciu actuale, oferind computerelor clasice posibilitatea de a ocoli toată legea fizicii și problema chimiei.

Îndepărtându-ne de obsesia noastră cu cipurile de siliciu, există un alt domeniu major al cercetării computaționale care deține o cantitate incredibilă de potențial. Calculul ADN poate părea confuz și, probabil, un pic ciudat la prima vedere, dar dacă vă gândiți la asta, este un candidat evident pentru cercetare și dezvoltare post-clasică de calcul.

De când primele fire de ADN au codificat instrucțiunile pentru crearea și funcționarea organismelor unicelulare, acesta a devenit un mecanism puternic de transmitere și stocare a datelor, dar cercetătorii sunt acum mai adânci în blocurile individuale ale ADN-ului. , și este potențial ca mecanism de calcul în sine.

Cercetările au arătat [PDF] că cei patru aminoacizi distincti - A, T, C și G - care servesc drept elemente de bază ale ADN pot fi refăcute pentru a acționa ca biți codabili. Când sunt amestecați, acești aminoacizi se autoasamblează în mod natural în fire de ADN și nu doar în orice ADN, ci toate permutările diferite ale ADN-ului posibile cu materialele disponibile.

Aceasta este o inovație care poate schimba jocul, deoarece efectuarea operațiunilor pe o suprapunere de qubits nu este același lucru cu calculul paralel adevărat. Calculatoarele cuantice vă vor oferi doar o singură ieșire, fie o valoare, fie o stare cuantică rezultată, astfel încât utilitatea lor de rezolvare a problemelor cu complexitate exponențială sau factorială a timpului va depinde în totalitate de algoritmul utilizat.

Cu toate acestea, calculul ADN valorifică capacitatea acestor aminoacizi de a se construi și a se asambla în fire lungi de ADN. Se amestecă acești aminoacizi și se vor construi în mod natural în mai lungi și mai complexi permutări a setului de aminoacizi. Dacă ați urmărit serialul, acele cuvinte ar fi trebuit să sară la tine. Permutarea este un proces cu complexitate factorială în timp și este provocarea fundamentală care trebuie depășită dacă vom rezolva o problemă NP-completă. Permutările sunt despre toate optimizare, și este probabil decât va găsi chiar și un computer cuantic optimizare dincolo de puterea sa de a rezolva.

De aceea, calculul ADN este o nouă dezvoltare atât de interesantă. Dacă codificăm numele unui oraș în problema vânzătorului ambulant ca o combinație de aminoacizi și aruncăm toți acești aminoacizi într-un pahar, odată ce încep auto-asamblarea în fire de ADN, soluția corectă a problemei vânzătorului ambulant va fi să crească organic din acest proces.

În mai puțin de un minut, soluția la problema vânzătorului călător va sta în acel pahar sub forma unui fir de ADN, iar provocarea devine găsirea unei modalități de filtrare a răspunsurilor greșite până când vom putea izola această soluție optimă. Filtrarea numărului nenumărat de fire incorecte de ADN pentru a-l găsi pe cel optim nu este o sarcină mică, fără îndoială, dar este, de asemenea, nu o problemă de permutând fiecare catena posibila de ADN. Așa cum am văzut în algoritmul lui Shor, uneori cheia pentru găsirea soluției unei probleme intratabile este transformarea acesteia într-o problemă echivalentă, care este mai ușor de rezolvat.

Deși acest lucru este încă un lucru din punct de vedere al calculului greu de făcut, este mult mai simplu decât permutările forțate brute și validarea lor postfață pentru a găsi cea mai bună cale pe care să o urmeze vânzătorul nostru. Cercetările continue în domeniul calculului ADN vor dezvălui în timp adevărata sa eficacitate, dar firele de ADN auto-asamblate oferă promisiunea unui adevărat calcul paralel, lucru pe care nici calculul cuantic nu îl poate pretinde.

Ne apropiem rapid de un orizont tehnologic de evenimente

Este cu totul posibil ca, înainte de a vedea ceva, umanitatea să ajungă să se bombardeze într-o nouă eră întunecată, care are nevoie de mii de ani pentru a-și reveni.

Este important să ne amintim că, deși progresul nu este garantat, schimbarea este întotdeauna și tipul de retragere tehnologică și științifică pe care ar reprezenta această nouă eră întunecată este singura comparație pe care o pot face, care surprinde amploarea schimbării care poate proveni din tranziția în era post-clasică.

Omenirea se apropie cu adevărat de un orizont tehnologic de evenimente. Există ceva de cealaltă parte a diviziunii clasic-post-clasic, este probabil să fie mult mai masiv decât pare de aici și orice predicție despre ceea ce vom găsi odată ce vom trece prin el este la fel de bună ca a oricui altcineva .

Deși poate fi amuzant să speculăm despre progrese specifice, ceea ce va conta în cele din urmă mult mai mult decât orice avans va fi sinergiile produse de aceste progrese diferite care lucrează împreună. Sinergiile sunt faimoase mai mari decât suma părților lor, dar ce înseamnă asta când părțile dvs. sunt blockchain, rețele 5G, computere cuantice și inteligență artificială avansată?

Orice va ajunge, va redefini calculul așa cum îl cunoaștem, iar implicațiile noilor sisteme pe care le vom crea prin integrarea acestor modele variate vor fi atât de imense, încât singurul lucru pe care îl știu sigur este că trecerea noastră în post- lumea clasică este garantată pentru a fi o călătorie într-un singur sens.


Priveste filmarea: Top 10 greșeli pe care femeile le fac cu bărbații (Mai 2022).