Kolekcje

Algorytmy kwantowe i przyszłość obliczeń postklasycznych

Algorytmy kwantowe i przyszłość obliczeń postklasycznych

To jest ostatni artykuł z siedmioczęściowej serii o algorytmach i obliczeniach, która bada, jak używamy prostych liczb binarnych do zasilania naszego świata. Pierwszy artykuł, Jak algorytmy rządzą światem, w którym żyjemy, można znaleźć tutaj.

Jako tysiącletni starszy osiągnąłem pełnoletniość, tak jak najważniejszy ludzki wynalazek, odkąd koło zaczęło pojawiać się w naszych skrzynkach pocztowych w połowie lat dziewięćdziesiątych: płyty CD z oprogramowaniem oferujące bezpłatne wersje próbne usług takich jak America Online, Compuserve, i Cud. Te pierwsze odkrywcze kroki w tej rewolucyjnej przestrzeni cyfrowej nastąpiły, gdy byliśmy wystarczająco dorośli, aby wyraźnie pamiętać życie sprzed Internetu, ale wciąż wystarczająco młodzi, aby objąć technologię w sposób, w jaki nasi rodzice nie mogli.

Chętnie wystawialiśmy rachunki za tysiące dolarów na czatach, forach dyskusyjnych, komunikatorach internetowych i innych pierwotnych treściach internetowych - to prawda, dzieciaki, wtedy musieliśmy płacić za Internet na godzinę--ale to był problem mamy i taty, mieliśmy całe przemiany zmieniające cywilizację, w których mogliśmy uczestniczyć. Postęp transformacji w skali globalnej zwykle wymaga czasu, a nawet pokoleń, aby go osiągnąć, ale dokonaliśmy go w mniej niż dekadę i spędziliśmy kolejną dekadę przekraczając granice tego, co było możliwe z komputerem i połączeniem internetowym, i niestety dość szybko zaczęliśmy je przekraczać.

Wzrost i upadek klasycznego komputera

Internet jest pod każdym względem największym wyzwaniem dla klasycznych komputerów. Połączeni w sieć, miliardy komputerów każdego kształtu i rozmiaru współpracują za pomocą algorytmów, sygnałów radiowych i kabli światłowodowych, aby stworzyć styl życia, który, o ile wiemy, jest unikalny we wszechświecie. Jeszcze bardziej niewiarygodne jest to, że klasyczne komputery osiągnęły to w mniej niż dwóch pokoleniach ludzi, w tempie postępu technologicznego bez precedensu historycznego.

ZWIĄZANE Z TYM: JAKĄ DOKŁADNIE BĘDZIE KWANTOWA ZMIANA OBLICZENIOWA?

Dla 40 latPrawo Moore'a napędzało bezprecedensowy rozwój ludzkości w erze powojennej, ale krzemowy chip komputerowy jest materiałem fizycznym, więc podlega prawom fizyki, chemii i inżynierii. Po zmieleniu tranzystora w układzie scalonym do skali nanoskopowej tranzystory po prostu nie mogą być coraz mniejsze co dwa lata. Z miliardy elementów elektronicznych wytrawiony w solidnej, kwadratowej płytce z krzemu nie więcej niż 2 cale szerokości, możesz policzyć liczbę atomów tworzących poszczególne tranzystory.

Niedawne problemy Intela z rażącymi lukami w zabezpieczeniach ich procesorów są bezpośrednim skutkiem tego, że inżynierowie musieli próbować wymyślić kreatywne sposoby na poprawę wydajności i szybkości procesora, gdy nie jest już możliwe fizyczne ulepszenie samego układu scalonego. Ponieważ tranzystory skurczyły się do po prostu 7 nanometrów długo, inżynierowie doprowadzili nas do punktu, w którym tranzystory wykorzystują jak najmniejszą liczbę atomów do zbudowania działającego elementu. Każdy mniejszy, a integralność strukturalna tranzystora szybko się załamie i straci zdolność do zatrzymywania i kierowania prądem elektrycznym, który przekazuje informacje, które sprawiają, że komputery są tak potężne.

Komputery nigdy nie były szybsze ani bardziej zwinne, jeśli chodzi o przełączanie i manipulowanie prądem elektrycznym, który napędza ich operacje, ale po prostu nie można zmusić elektronów do poruszania się z prędkością inną niż określona przez medium, przez które podróżuje . Jedynym sposobem na „przyspieszenie” przepływu elektronów jest zmniejszenie odległości, jaką musi pokonać między bramkami logicznymi, tak aby operacje dawały wyniki o kilka bilionowych części sekundy szybciej niż poprzednio, i właśnie to robiliśmy. 40 lat.

Nowoczesne procesory komputerowe są niezaprzeczalnie szybkie, ale niestety nie są wystarczająco szybkie. Pomimo swojej niesamowitej mocy, klasyczny komputer został skutecznie pokonany przez matematyczne realia trudnych do rozwiązania, ale krytycznie ważnych problemów, takich jak optymalizacja i zwijanie białek. Sekwencyjność klasycznych operacji komputerowych oznacza, że ​​same nigdy nie będą w stanie wyprzedzić tempa wzrostu O (2n) lub Na!) problem.

Nikt nie chce zaakceptować, że niesamowita technologiczna jazda, którą cieszyliśmy się przez ostatnie pół wieku, dobiega końca, ale jeśli nie zostaną znalezione algorytmy, które mogą zapewnić skrót do tego tempa wzrostu, musimy wyjść poza klasyczny komputer jeśli mamy utrzymać obecne tempo postępu technicznego.

Szum wokół postklasycznych komputerów brzmi utopijnie, ale jest zaskakująco uzasadniony

Informatyka kwantowa to temat, który wiele osób, łącznie ze mną, popełniło błąd w przeszłości i są tacy, którzy ostrzegają przed zbytnim wierzeniem w zdolność komputera kwantowego do uwolnienia nas od obliczeniowej ślepej uliczki, w której tkwimy.

Technologia jest w powijakach i istnieje wiele powodów, by wątpić, czy kiedykolwiek zobaczymy kwantowy odpowiednik domowego komputera Apple II. Nie chodzi tylko o kubity, które musisz opanować; musiałbyś również odkryć materiał zdolny do nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej, a także dowiedzieć się, jak utrzymać wewnętrzne środowisko dla kubitów, które muszą być utrzymywane jak najbliżej zera absolutnego, aby mogły działać.

Poza tym zdecydowana większość pracy, jaką musi wykonać komputer, nie będzie wykonywana szybciej na komputerze kwantowym niż na klasycznym. Operacje sekwencyjne nie są czymś, do czego są zaprojektowane komputery kwantowe, więc długo po ich całkowitym pojawieniu się będziemy nadal używać klasycznych komputerów w dającej się przewidzieć przyszłości, podczas gdy komputery kwantowe prawdopodobnie pozostaną w laboratoriach korporacyjnych i krajowych z usługami przetwarzania świadczonymi przez przetwarzanie w chmurze według algorytmu na podstawie algorytmu.

Mimo całej pracy potrzebnej do tworzenia i utrzymywania kubitów w superpozycji, komputery kwantowe tak naprawdę niewiele robią w tej chwili i prawdopodobnie tak będzie przynajmniej przez chwilę dłużej. Zostaniesz wybaczony za myślenie, że komputery kwantowe to cała masa kapeluszy i żadnych bydła, ale byłoby to również poważnym błędem w scharakteryzowaniu stanu technologii i przemilczeniem znaczenia tego, co już wiemy właśnie wyłania się z horyzontu.

Jedną z mocnych stron systemów matematycznych jest ich udowodnienie za pomocą logiki. Jeśli możemy logicznie udowodnić, że coś jest prawdą, ta prawda nigdy się nie zmieni. To jest rodzaj rzeczy, która daje nam pewność, że budujemy rakiety i statki kosmiczne, które można pilotować z niemal precyzyjną precyzją z odległości czterech i pół miliarda mil, i dlatego możemy powiedzieć, że obliczenia kwantowe nie tylko będą transformacyjne, możemy dokładnie powiedzieć, dlaczego.

W ciągu 25 lat od opublikowania przez Petera Shora pierwszego algorytmu kwantowego - który pokazał, że podstawową faktoryzację liczb całkowitych można przeprowadzić na komputerach kwantowych w czasie wielomianowym - matematycy i informatycy opracowali inne algorytmy kwantowe, które rozwiązują problemy, z którymi klasyczne komputery starały się rozwiązać . Spośród tych dziesiątek algorytmów kwantowych wiele z nich jest o rząd wielkości szybszych niż najbardziej wydajny klasyczny algorytm, jaki znamy, i są możliwe tylko dzięki unikalnemu środowisku kwantowemu, w którym działają.

Niektóre z najważniejszych prac w dziedzinie obliczeń kwantowych to tworzenie algorytmów symulujących różne systemy kwantowe, które pojawiają się we wszystkim, od technologii laserowej po medycynę. Algorytmy te będą w stanie znacznie przewyższyć podobne klasyczne symulacje obliczeniowe. Obecnie klasyczne algorytmy przeprowadzające symulację molekularną są ograniczone pod względem rodzajów cząsteczek, które mogą one symulować. Algorytmy te są zwykle ograniczone do cząsteczek o mniej niż 70 spin-orbitali, a nawet więcej, a złożoność symulacji rośnie tak szybko, że staje się trudna do opanowania.

W międzyczasie pojedynczy kubit może reprezentować jeden z tych orbitali na tyle skutecznie, że komputer kwantowy zawierający tylko 100 kubitów - komputer kwantowy D-Wave 2X ma 1152 kubitów, chociaż został zbudowany do uruchamiania algorytmu kosmicznego, a nie do ogólnego celu komputer kwantowy - pozwoliłby na symulacje molekularne, których klasyczne komputery nawet nie są w stanie symulować i prawdopodobnie nigdy nie będą. Symulacje te mogą potencjalnie ujawnić wszystkie rodzaje wcześniej nieznanych związków, które mogą zapewnić nowe terapie dla dowolnej liczby chorób.

Istnieją algorytmy kwantowe do wszystkiego, od przeszukiwania w pierwszej kolejności w głąb i spacerów kwantowych po wykresie, po rozwiązywanie układów równań liniowych, równań różniczkowych, a nawet dokonywanie postępów w niektórych klasach problemów optymalizacyjnych, takich jak optymalizacja adiabatyczna. Jednak tym algorytmom brakuje wystarczająco potężnego komputera kwantowego z wystarczającą liczbą kubitów do uruchomienia.

Nie będzie to jednak trwało wiecznie, a kiedy nadejdzie czas, aby zdjąć te algorytmy z półki i uruchomić je, niektóre z najbardziej frustrujących, trudnych do rozwiązania, wykładniczo i silnie złożonych problemów w biznesie, administracji, medycynie, inżynierii, a wiele innych zostanie rozwiązanych w czasie wielomianowym lub szybciej. Te zyski to prawdziwa okazja i są gwarantowane przez ich logikę do działania; pozostaje tylko pytanie, ile czasu zajmie dotarcie tych komputerów.

Przedefiniowanie komputera dla epoki poklasycznej

Problem, przed jakim stają klasyczne komputery w przyszłości, jest nieodłącznie związany z elektronicznym charakterem samych komputerów. Ewoluując od prostych obwodów elektronicznych, komputery używają bardzo specyficznej metodologii obliczeniowej do rozwiązywania problemów, więc są na stałe zablokowane w modelu obliczania sekwencyjnych liczb binarnych, z którego elektronika korzysta od ponad wieku. Dominujące miejsce tego modelu w naszej technologii nie oznacza, że ​​jest to jedyny sposób wykonywania obliczeń.

Spintronika, która wykorzystuje spin elektronów i właściwości magnetyczne wytwarzane przez ten spin, okazuje się najbardziej obiecująca jako mechanizm magazynowania ze względu na swoją odporność na zewnętrzne zakłócenia magnetyczne, które mogą wymazać całe twarde dyski, które opierają się na obecnej technologii ferromagnetycznej przechowywania danych .

Magnetyczne właściwości elektronów sugerują również, że można zbudować spintroniczny, półprzewodnikowy tranzystor, który mógłby przywrócić do życia prawo Moore'a, przynajmniej na chwilę. Atomy mogą być małe, ale prawie wszystkie stanowią jądro. Elektrony krążące w międzyczasie wokół jądra są o rzędy wielkości mniejsze niż sam atom, więc powinno być możliwe upakowanie tysięcy razy więcej tranzystorów spintronicznych na obecnych chipach krzemowych, dając klasycznym komputerom możliwość obejścia tego całego prawa fizyki i problem chemii.

Odchodząc od naszej obsesji na punkcie chipów krzemowych, istnieje inny ważny obszar badań obliczeniowych, który ma niesamowity potencjał. Obliczenia DNA mogą na pierwszy rzut oka wydawać się zagmatwane i być może nieco dziwne, ale jeśli się nad tym zastanowić, jest to oczywisty kandydat do badań i rozwoju w dziedzinie komputerów postklasycznych.

Odkąd pierwsze nici DNA zakodowały instrukcje dotyczące tworzenia i działania organizmów jednokomórkowych, stało się potężnym mechanizmem przesyłania i przechowywania danych, ale naukowcy wnikają teraz głębiej w poszczególne elementy składowe samego DNA i ma potencjał jako samodzielny mechanizm obliczeniowy.

Badania wykazały [PDF], że cztery różne aminokwasy - A, T, C i G - które służą jako elementy budulcowe DNA, można zmienić tak, aby działały jako bity kodowane. Po zmieszaniu te aminokwasy w naturalny sposób samoorganizują się w nici DNA, a nie byle jaki DNA, ale wszystkie możliwe permutacje DNA przy użyciu dostępnych materiałów.

Jest to potencjalnie zmieniająca grę innowacja, ponieważ wykonywanie operacji na superpozycji kubitów to nie to samo, co prawdziwe przetwarzanie równoległe. Komputery kwantowe dadzą tylko jedno wyjście, albo wartość, albo wynikowy stan kwantowy, więc ich użyteczność w rozwiązywaniu problemów z wykładniczą lub silnią złożoności czasowej będzie całkowicie zależeć od zastosowanego algorytmu.

Obliczanie DNA wykorzystuje jednak zdolność tych aminokwasów do tworzenia i łączenia się w długie nici DNA. Wymieszaj te aminokwasy, a naturalnie wbudują się w dłuższe i bardziej złożone permutacje zestawu aminokwasów. Jeśli śledziłeś serię, te słowa powinny do ciebie wyskoczyć. Permutacja jest procesem o czynnikowej złożoności czasowej i jest to podstawowe wyzwanie, które należy pokonać, jeśli mamy rozwiązać problem NP-zupełny. Chodzi o permutacje optymalizacja, i jest to prawdopodobne, niż to znajdzie nawet komputer kwantowy optymalizacja poza jego możliwościami rozwiązania.

To właśnie sprawia, że ​​przetwarzanie DNA jest tak ekscytującym nowym osiągnięciem. Jeśli zakodujemy nazwę miasta w problemie komiwojażera jako jakąś kombinację aminokwasów i wrzucimy wszystkie te aminokwasy do zlewki, gdy zaczną się one samoorganizować w nici DNA, prawidłowe rozwiązanie problemu komiwojażera będzie wyrastają organicznie z tego procesu.

Za mniej niż minutę rozwiązanie problemu komiwojażera będzie siedzieć w tej zlewce w postaci nici DNA, a wyzwaniem staje się znalezienie sposobu na odfiltrowanie niewłaściwych odpowiedzi, dopóki nie będziemy mogli wyodrębnić tego optymalnego rozwiązania. Odfiltrowanie niezliczonej liczby nieprawidłowych nici DNA w celu znalezienia optymalnej nie jest bez wątpienia zadaniem łatwym, ale nie problem permutacja każdą możliwą nić DNA. Jak widzieliśmy w algorytmie Shora, czasami kluczem do znalezienia rozwiązania trudnego do rozwiązania problemu jest przekształcenie go w równoważny problem, który jest łatwiejszy do rozwiązania.

Chociaż jest to nadal trudne obliczeniowo, jest to znacznie prostsze niż brutalne wymuszanie permutacji i weryfikowanie ich posłowia, aby znaleźć najlepszą drogę, którą może obrać nasz sprzedawca. Trwające badania nad obliczeniami DNA ujawnią z czasem jego prawdziwą skuteczność, ale samoorganizujące się nici DNA dają obietnicę prawdziwych obliczeń równoległych, czego nie mogą zapewnić nawet komputery kwantowe.

Szybko zbliżamy się do technologicznego horyzontu zdarzeń

Jest całkowicie możliwe, że zanim cokolwiek z tego zobaczymy, ludzkość zbombarduje się w nowy mroczny wiek, z którego odbudowa zajmie tysiące lat.

Ważne jest, aby pamiętać, że chociaż postęp nie jest gwarantowany, zmiana zawsze jest, a rodzaj technologicznego i naukowego odosobnienia, jaki reprezentowałby ten nowy mroczny wiek, jest jedynym porównaniem, jakie mogę zrobić, które oddaje skalę zmian, które mogą nadejść od przejścia do epoka postklasyczna.

Ludzkość naprawdę zbliża się do technologicznego horyzontu zdarzeń. Jest coś po drugiej stronie klasycznego i postklasycznego podziału, prawdopodobnie będzie o wiele bardziej masywne, niż wygląda stąd, a wszelkie prognozy dotyczące tego, co znajdziemy, gdy przez to przejdziemy, są równie dobre, jak każdego innego .

Chociaż spekulacje na temat konkretnych postępów mogą być zabawne, ostatecznie o wiele większe znaczenie niż jakikolwiek postęp będą miały synergie osiągnięte dzięki współpracy tych różnych postępów. Synergie są znane z tego, że są większe niż suma ich części, ale co to oznacza, gdy twoje części to blockchain, sieci 5G, komputery kwantowe i zaawansowana sztuczna inteligencja?

Cokolwiek się stanie, przedefiniuje obliczenia, jakie znamy, a implikacje nowych systemów, które stworzymy przez integrację tych różnych modeli, będą tak ogromne, że jedyne, co wiem na pewno, to to, że nasze przejście do post- świat klasyczny to podróż w jedną stronę.


Obejrzyj wideo: Liczby kwantowe (Styczeń 2022).