Как се чувстват квантовите компютри до класически компютър

Защо имаме нужда от квантови компютри

Не е само защото са готини.

Ето краткия отговор:

  • Математическият и научен отдел по света имат стена пред себе си, наречена „наистина трудни проблеми“ (помислете: излекуване на рак, енергийно ефективни батерии [или енергийно ефективно нещо за този въпрос] и материален дизайн).
  • Човешките мозъци са смрад. Така създадохме компютри, за да изчислим нещата по-бързо. (Компютрите са представяне на начина, по който хората мислят, само по-бързо.)
  • Дори и най-мощният суперкомпютър няма достатъчно изчислителна сила, за да разруши стената, наречена „наистина тежки проблеми“.
  • „Квантовите компютри“ мислят / работят по различен начин. Те могат да спасят деня!

Ето дългия отговор:

  • Прочети статията

(включва защо не можем да съборим споменатата по-рано стена)

(добро четене. продължете.)

Айнщайн е някакъв умен.

Иконата на теоретичната физика излезе с теорията на относителността (стълб на съвременната физика), създаде оръжие, което ще сложи край на най-голямата война на всички времена, и насърчи най-известното уравнение.

Някак ще е необходимо нещо голямо, за да смути господаря на атомите.

Или нещо наистина малко.

Като ... по-малък от атом.

Айнщайн може да е бил господарят на атомите, но той беше напълно объркан, когато стана дума за разбирането на квантовите частици (субатомните частици).

За щастие, мога да помогна с това.

Физиката, каквато я познаваме и виждаме, се определя от Нютоновите и Айнщайтовите закони. Те са наблюдаваните черти, които атомите около нас изглежда изобразяват. Тези закони представляват как физически преживяваме света и са определени с математически средства, които са логични в нашия човешки ум.

Но когато посетим частици, които седят в един атом, се натъкваме на наблюдения, които са толкова странни, те противоречат напълно на нашата естествена интуиция.

Тези суб-атомни частици играят в сферата на квантовата механика.

Още през 20-те години на миналия век Айнщайн и Нилс Бор правят заглавия с постоянния си спор относно легитимността на квантовата механика. Докато Айнщайн вярваше, че физическа реалност съществува независимо от способността ни да я наблюдаваме, Бор и неговите последователи смятат, че няма смисъл да се спекулира с „крайна реалност“, която съществува извън нашите възприятия - че всичко, което можем и трябва да знаем, са резултатите от наблюдения и измервания.

Съвременните учени са много по-назад в дебата за легитимността на квантовата механика и използват компютри, за да използват техните свойства.

Докато те (надяваме се) няма да създадат друга модерна линия от машини за смърт, квантовите компютри имат дори правителства, които изглеждат доста заинтересовани. Съжалявам, Бор.

Но разбирането на квантовата механика, която да използваме за изчисленията, прави повече за нас, отколкото изтръпване на любопитните ни умове (както беше за Айнщайн).

Квантовите компютри имат потенциал да преодолеят бариерите, възпрепятстващи иновациите в дизайна на математика, медицина и материали.

Разбирането на основите на квантовата механика на високо ниво всъщност не е твърде трудно да се разбере и наистина да влезете в това как квантовите компютри могат да спасят баба ви, трябва да прочетете това:

Назад вече? Какви умни панталони. Да започваме.

Хората обичат да отдават кредит на познавателните ни способности и непрекъснато се хвалят с технологично напредналия свят, в който живеем. Всяко парче технология е по-бързо и по-малко от всякога и ни е помогнало да постигнем по-висок жизнен стандарт, който не би могъл да си представим. дори преди 25 години.

Това са всички дъги и еднорози, докато не осъзнаем - има толкова много проблеми, които учените се борят с тази струйка в ежедневието ни - които не са били решени ... и ние просто не можем да продължим да разработваме компютри по-бързи или по-малки, за да ги разрешим.

Изчакайте. Защо Тхо?

Защо не можем просто да хвърлим още няколко години учени и глупаци, които вършат работата си и да чакаме неща като персонализирана медицина да дойдат при нас?

Сигурен съм, че може би това ще работи - освен, че няма.

Има два основни проблема:

  1. Как работят компютрите
  2. Компютрите наистина са малко

Битове на битове на битове

Конвенционалните компютри са ограничени да правят едно по едно.

Това е така, защото по принцип цифровите компютри получават и обработват информация само по линеен, подреден начин - чрез битове, които четат само 0 и 1. (Както може би сега знаете чрез моята статия).

Когато срещнете проблем, който налага на нашите компютри да вземат предвид много параметри и ситуации - той не може да направи това ефективно. За да стигне до резултат, цифров компютър трябва да работи през всяка възможност, преди да стигне до заключение.

Следователно,

Колкото по-сложен е проблемът, толкова повече време отнема да се реши ...

Процесът на използване на класически битове за разглеждане на множество конфигурации може да отнеме дори най-големия суперкомпютър на земните години - и ако се опитваме да продължим да внедряваме иновации в моите млади години ... нещо трябва да се промени.

Причина числото:

Нашата технология физически няма да ни позволи.

В момента сме в живота си, когато законът на Мур вече не е важен.

Хм ... транзистори ... звучи важно.

Можем да разберем как класическите компютри са достигнали своя изчислителен лимит чрез разбиране на транзисторите.

Компютрите са основно (много сложна) електронна схема, съставена от свързващи проводници и куп превключватели, които могат да бъдат включени или изключени. Тези превключватели се управляват по електронен път (а, това се нарича електронна верига) и се наричат ​​транзистори.

Поставяйки транзистори на верига, спираме и започваме потока на електрическия ток.

Можете също така да кажете, че транзисторите поставят условие по веригата, решавайки дали електрическият ток може да тече или не.

Така че сега вашата схема има възможността да определя потока на тока, въз основа на тези условия.

В общи линии,

повече транзистори = повече условия = повече порти = по-сложни изчисления

Разбра ли? Ница.

Купете на куп порти на схема и по принцип имате своя лаптоп, на който вероятно четете тази статия.

Времето (и куп нерви) ни позволи да намерим нови производствени техники за създаване на по-малки и по-малки транзистори - и да ги монтираме на по-малки пространства (като платки).

Тъй като транзисторите станаха по-малки, пространството, необходимо за поставяне, стана по-малко, така че започнахме да ги наричаме „чипове“.

Компании като Intel са масово произвеждащи транзистори, които са само 14 нанометра. Това е само 14 пъти по-широко от вашите ДНК молекули. Това е лудост.

Направихме транзисторите толкова малки, че вече можем да поберем 4,3 милиарда от тях на чип, малък колкото стотинка (ако тези неща вече съществуват).

С този много транзистори ние създадохме глупости логически порти, които робуваме, за да направим изключително сложни изчисления за нас. Понякога ние използваме тази изключително сложна изчислителна сила по не толкова сложни или интелектуални причини - като превъртане през Reddit.

Както и да е.

Транзисторите са изработени от силиций.

Атомният размер на силиция е около 0,2 нанометра, което прави нашите транзистори около 70 силициеви атома. Това прави възможността да ги направите още по-малки - по-малки от всякога.

В такъв мащаб започваме да се справяме с някои аномалии. Частиците, като електрони, започват да се държат по законите на квантовата физика (да, за вас! Знаете какво означава това!).

Следователно, границите на изчислителната мощност са доста пряко свързани с границата на това колко малки можем да направим транзисторите си.

Така че ... настоящите ни компютри не могат да решат проблемите, които искаме, и дори не можем да направим компютрите по-мощни или сложни за приспособяване.

И какво, по дяволите?

Ето го по дяволите:

Учените правят компютри, които използват свойствата на квантовата физика за изчисления. Значение, нашият изчислителен процес ще може да работи в експоненциална, а не линейна равнина.

За какво съществуват квантовите компютри

Квантовите компютри играят с частици в Quantum Realm ...

Има смисъл.

Тъй като квантовите компютри могат да симулират състояния едновременно, той може да разгледа няколко конфигурации наведнъж - и да обработи необикновено количество информация.

Всъщност той може да съхранява експоненциално повече информация, отколкото класически бит.

"Експоненциалната" мощност се състои в способността на квантовия компютър да удвоява състоянията, които системата може едновременно да съхранява - като добавите един кубит.

Два кубита могат да съхраняват четири състояния, три кубита могат да съхраняват осем състояния, четири кубита могат да съхраняват 16 състояния ... вие получавате идеята.

За ситуация, в която за моделиране на квантови състояния са ви необходими 50 заплетени кубита, ще трябва да кодирате 1,125 квадрилиона класически бита, за да съхраните същото количество информация.

Защо ме интересува Tho.

В тази статия направих това наистина разхвърляно нещо, наречено „наистина да е неясен“ и всъщност не съм дефинирал никакви проблеми, които класическите компютри не могат да решат (а квантовите компютри могат).

Мисля, че е време да поправим това.

Помислете за ситуация в реалния живот: молекулярна симулация.

Добре добре. Останете с мен тук. Знам, че това изглежда като нещо, с което трябва да се справят само изследователите и учебниците в гимназиите ... но осъзнайте това: молекулите съставят всички материали около нас.

Това оставя изобилие от възможности за прилагане на молекулярна симулация.

Да вземем проблем, който засяга всички (карамфил) на тази планета: лекарство.

Към момента са необходими най-малко 12 години, за да може едно лекарство да премине от лабораторията до вашия лекарски кабинет. (Ако дори го прави толкова далеч.)

Това е продължителност на живота за някои и лукс за други, които нямат 12 години в очакване на лекарство, което може дори да не възстанови здравето им.

12 години и най-малко 648 милиона долара (до 2,7 милиарда) долара за лекия шанс да се излекувате от заболяване, което вероятно не искате.

Лекият шанс може да си струва за вас, но ми е интересно да отворя тази пропаст във възможностите.

Модели на химикали

Начинът, по който днес се опитваме да създадем животоспасяващи лекарства, е чрез използване на химически моделисти.

Тези модели за химикали непрекъснато се опитват да създадат съединения, като са принудени да определят как може да се държи непозната молекула, след което да я тестват в реалния свят, за да видят дали работи както се очаква.

Този постоянен процес на връщане и назад е отнемащ време и отнема много ресурси (здравей, 12 години и няколко милиона долара).

Също така не работи наистина.

Молекулярната симулация е свързана с намирането на основното състояние на съединението - най-стабилната му конфигурация. С цялата тази кръстосана практика в клас химик, това може да звучи достатъчно лесно. Но за да знаете наистина основното състояние на молекулата, трябва да помислите повече от балансиране на скелетното уравнение:

  • как всеки електрон във всеки атом ще взаимодейства с всички ядра на другите атоми
  • квантовите ефекти, които се проявяват в такива малки мащаби

Тези параметри стават експоненциално по-трудни за справяне с увеличаването на размера на молекулата.

Нашите бинарни мозъци и компютри не могат да изпомпват оптимална конфигурация в разумно полезно време.

Има дори дума за това: полиномно време. Поли-времето е времето, необходимо за класически компютър за решаване на проблем.

Използваме идеята „да можем да изчислим проблем в рамките на много време“, защото да - класическите компютри всъщност могат да симулират молекули - просто ще им отнеме страшно много време за това.

Дори най-мощните суперкомпютри днес (които са доста супер) много бързо се борят със симулиране на молекула с три или повече елемента.

Проследяването на експоненциалната природа и квантовите взаимодействия на всеки нов електрон в молекулните връзки е изключително трудоемко за класически компютър (и настоящи химически моделисти).

Но за квантов компютър, който се занимава с квантовите взаимодействия? Звучи почти разумно.

Така че там.

Класическите компютри не са най-голямата шапка, за която са раздути. А квантовите компютри са готини.

Много хора предполагат, че нарастването на квантовите компютри ще означава, че ще имате 16-кубитен компютър, който седи в скута ви след около десетилетие. Това е доста (f̵a̵k̵e̵ ̵n̵e̵w̵s̵) невярно, защото класическите компютри са страхотни… те просто не са толкова способни в някои аспекти. Някои важни аспекти. Аспекти, които ни пречат да правим готини неща. Като молекули. И след това персонализирана медицина. И енергийно ефективни батерии. И може би ефективна архитектура.

Разбирате.

Поради начина, по който конвенционалните компютри по своята същност работят, те не могат да изчисляват определени конфигурации. И поради тази статия, сега знаете защо.

Противно на това, което господин Бор вярва, всъщност е важно да разберем как се случва нещо толкова незабележимо, колкото движението на електроните.

Молекулите съставляват материала около нас и ако искаме да оптимизираме начина, по който използваме ресурсите си ... не можем да продължим да правим това, което не работи - използвайки класически компютри за симулиране на материали за иновации. Трябва да инвестираме в ефективност.

Знам, че всъщност не съм обяснил как всъщност ще се справят квантовите компютри - но повярвайте ми, това идва. Просто не исках да ви отегчавам с математическо обяснение, някои от вас може да не са тук.

Следете за вълнуващи неща:

  • LinkedIn
  • Средно:
  • Twitter:
  • DM, за да се присъедините към бюлетина ми