Koleksi

Algoritma Kuantum dan Masa Depan Pengkomputeran Pasca-Klasik

Algoritma Kuantum dan Masa Depan Pengkomputeran Pasca-Klasik

Ini adalah artikel terakhir dalam siri tujuh bahagian mengenai Algoritma dan Pengiraan, yang meneroka bagaimana kita menggunakan nombor binari mudah untuk menggerakkan dunia kita. Artikel pertama, Bagaimana Algoritma Menjalankan Dunia yang Kita Lalui, boleh didapati di sini.

Sebagai penatua milenium, saya berumur sebagai penemuan manusia yang paling penting sejak roda mula muncul di peti surat kami pada pertengahan 1990-an: CD perisian yang menawarkan percubaan percuma untuk perkhidmatan seperti Amerika Dalam Talian, Memikat, dan Hebat. Langkah penjelajahan pertama ke ruang digital revolusioner ini datang ketika kita cukup tua untuk mengingati kehidupan sebelum internet dengan jelas tetapi masih cukup muda untuk merangkul teknologi dengan cara yang tidak dapat dilakukan oleh ibu bapa kita.

Kami dengan senang hati mengumpulkan bil kad kredit bernilai ribuan dolar di ruang sembang, papan mesej, pesanan segera, dan kandungan internet primordial lain - itu betul anak-anak, ketika itu kami terpaksa membayar untuk Internet mengikut jam--tetapi itu adalah masalah ibu dan ayah, kita mempunyai peralihan mengubah peradaban secara keseluruhan. Kemajuan transformasi pada skala global biasanya memerlukan masa, bahkan generasi untuk dicapai tetapi kita berjaya melakukannya dalam masa kurang dari satu dekad dan menghabiskan satu dekad lagi untuk mencapai had yang mungkin dengan komputer dan sambungan Internet dan, sayangnya, kami mula memasuki had tersebut dengan cepat.

Kebangkitan dan Penurunan Komputer Klasik

Untuk semua tujuan dan tujuan, Internet adalah kekuatan pengkomputeran klasik. Rangkaian bersama, berbilion komputer dari setiap bentuk dan ukuran berkolaborasi melalui algoritma, isyarat radio, dan kabel gentian optik untuk menghasilkan cara hidup yang sejauh yang kita tahu adalah unik di alam semesta. Lebih hebat lagi ialah pengkomputeran klasik berjaya melakukannya dalam masa kurang dari dua generasi manusia, kadar kemajuan teknologi tanpa preseden sejarah.

BERKAITAN: APAKAH PERUBAHAN PENGIRAAN QUANTUM, TEPAT?

Untuk 40 tahun, Hukum Moore mendorong kemajuan manusia yang belum pernah terjadi sebelumnya dari era pasca perang, tetapi cip komputer silikon adalah bahan fizikal, sehingga diatur oleh hukum fisika, kimia, dan kejuruteraan. Setelah meminimumkan transistor pada litar bersepadu ke skala nanoskopik, transistor tidak dapat terus menjadi lebih kecil setiap dua tahun. Dengan berbilion komponen elektronik terukir menjadi wafer silikon padat dan persegi tidak lebih dari Selebar 2 inci, anda boleh mengira bilangan atom yang membentuk transistor individu.

Masalah Intel baru-baru ini dengan kerentanan keselamatan yang mencolok pada pemproses mereka adalah hasil langsung daripada jurutera yang harus berusaha mencari kaedah kreatif untuk meningkatkan prestasi dan kelajuan pemproses apabila tidak mungkin secara fizikal memperbaiki litar bersepadu itu sendiri. Sebagai transistor menyusut menjadi adil 7 nanometer lama, jurutera telah membawa kita ke titik di mana transistor menggunakan sebilangan kecil atom yang mungkin untuk membina komponen yang berfungsi. Yang lebih kecil, dan integriti struktur transistor akan cepat rosak dan kehilangan keupayaan mereka untuk menahan dan mengarahkan arus elektrik yang menyampaikan maklumat yang menjadikan komputer begitu kuat.

Komputer tidak pernah lebih laju atau lebih lincah ketika berkaitan dengan pengalihan dan manipulasi arus elektrik yang menggerakkan operasinya, tetapi anda tidak boleh membuat elektron bergerak pada kelajuan selain dari yang ditentukan oleh media yang dilaluinya . Satu-satunya cara untuk "mempercepat" aliran elektron adalah dengan mengurangkan jarak yang harus dilalui di antara gerbang logik sehingga operasi menghasilkan hasil beberapa triliun saat lebih cepat daripada sebelumnya, itulah yang telah kita lakukan selama ini 40 tahun.

Pemproses komputer moden tidak dapat disangkal pantas, tetapi malangnya tidak cukup pantas. Walaupun mempunyai kekuatannya yang luar biasa, komputer klasik berjaya dikalahkan oleh realiti matematik dari masalah yang sukar tetapi sangat penting seperti pengoptimuman dan lipatan protein. Sifat urutan operasi komputer klasik bermaksud bahawa, dengan sendirinya, mereka tidak akan dapat mengatasi kadar pertumbuhan O (2n) atau O (n!) masalah.

Tidak ada yang mahu menerima bahawa perjalanan teknologi yang luar biasa yang kita nikmati selama setengah abad yang lalu akan berakhir, tetapi melainkan jika algoritma dijumpai yang dapat memberikan jalan pintas di sekitar kadar pertumbuhan ini, kita harus melihat di luar komputer klasik jika kita mahu mengekalkan kemajuan teknologi kita sekarang.

Hype Sekitar Pengkomputeran Pasca-Klasik Kedengaran Utopia, tetapi Menghairankan

Pengkomputeran kuantum adalah subjek di mana banyak orang, termasuk saya, telah menjadi salah pada masa lalu dan ada orang yang berhati-hati untuk tidak terlalu percaya pada kemampuan komputer kuantum untuk membebaskan kita dari jalan buntu yang kita terjebak.

Teknologi ini masih dalam peringkat awal dan ada beberapa alasan untuk meragukan bahawa kita akan pernah melihat komputer kuantum yang setara dengan komputer rumah Apple II. Bukan hanya qubit yang harus anda kuasai; anda juga mesti menemui bahan yang mampu melakukan superkonduktiviti suhu bilik dan mengetahui bagaimana anda menjaga persekitaran dalaman untuk qubit yang perlu dijaga hampir sama dengan sifar mutlak untuk bekerja.

Selain itu, sebahagian besar pekerjaan yang perlu dilakukan oleh komputer tidak akan dilakukan lebih cepat pada komputer kuantum daripada pada komputer klasik. Operasi berturutan bukanlah jenis yang dirancang untuk komputer kuantum, lama setelah komputer kuantum tiba sepenuhnya, kami masih akan menggunakan komputer klasik untuk masa yang akan datang sementara komputer kuantum kemungkinan akan tinggal di makmal korporat dan nasional dengan perkhidmatan pemprosesan yang disediakan melalui pengkomputeran awan berdasarkan algoritma berdasarkan algoritma.

Untuk semua kerja yang diperlukan untuk membuat dan mengekalkan qubit dalam superposisi, komputer kuantum tidak benar-benar melakukan apa-apa pada masa ini dan itu mungkin akan tetap berlaku sebentar lagi. Anda akan dimaafkan kerana berfikir bahawa komputer kuantum adalah banyak topi dan bukan ternak, tetapi itu juga akan menjadi salah gambaran keadaan teknologi yang serius dan mengabaikan kepentingan apa kita sudah tahu baru sahaja tiba di cakerawala.

Salah satu kekuatan sistem matematik adalah kebolehkesanannya dengan logik. Sekiranya kita dapat membuktikan sesuatu itu benar secara logik, kebenaran itu tidak akan pernah berubah. Ini adalah jenis perkara yang memberi kita keyakinan untuk membina roket dan kapal angkasa yang dapat dipandu dengan ketepatan hampir tepat dari jarak empat setengah miliar batu, dan itulah sebabnya kita dapat mengatakan bahawa pengkomputeran kuantum tidak hanya akan berubah, kami dapat memberitahu anda dengan tepat mengapa.

Dalam 25 tahun sejak Peter Shor menerbitkan algoritma kuantum pertama - yang menunjukkan bahawa faktorisasi utama bilangan bulat dapat dilakukan pada komputer kuantum pada waktu polinomial - ahli matematik dan saintis komputer telah mengembangkan algoritma kuantum lain yang menangani masalah yang sukar diselesaikan oleh komputer klasik . Dari berpuluh-puluh algoritma kuantum tersebut, banyak daripadanya adalah urutan besarnya lebih cepat daripada algoritma klasik paling efisien yang kita ketahui dan hanya mungkin berlaku kerana persekitaran kuantum yang unik di mana mereka beroperasi.

Beberapa karya yang paling penting dalam bidang pengkomputeran kuantum telah membuat algoritma yang mensimulasikan sistem kuantum yang berbeza yang muncul dalam segala hal, dari teknologi laser hingga perubatan. Algoritma ini akan dapat mengatasi simulasi pengkomputeran klasik yang serupa dengan margin yang luas. Pada masa ini, algoritma klasik yang melakukan simulasi molekul terhad dalam jenis molekul yang dapat disimulasikan. Algoritma ini biasanya terhad kepada molekul dengan kurang dari 70 putaran-orbital, lebih dari itu, dan kerumitan simulasi berkembang dengan cepat sehingga menjadi sukar dipahami.

Sementara itu, satu qubit dapat mewakili salah satu orbital ini dengan cukup cekap sehingga komputer kuantum dengan hanya 100 qubit - komputer kuantum D-Wave 2X mempunyai 1152 qubit, walaupun ia dibina untuk menjalankan algoritma spasien, bukan sebagai tujuan umum komputer kuantum - memungkinkan untuk simulasi molekul bahawa komputer klasik bahkan hampir tidak mampu melakukan simulasi dan mungkin tidak akan pernah berlaku. Simulasi ini berpotensi mendedahkan pelbagai jenis sebatian yang tidak diketahui sebelumnya yang dapat memberikan terapi baru untuk sebilangan penyakit.

Terdapat algoritma kuantum untuk segalanya, dari pencarian pertama dan kedalaman melalui grafik hingga menyelesaikan sistem persamaan linear, persamaan pembezaan, dan bahkan membuat kemajuan pada kelas masalah pengoptimuman tertentu, seperti pengoptimuman adiabatik. Apa yang kekurangan algoritma ini, bagaimanapun, adalah komputer kuantum yang cukup kuat dengan qubit yang cukup untuk dijalankan.

Itu tidak akan berlaku selamanya, dan apabila tiba masanya untuk mengambil algoritma ini dari rak dan meletakkannya di tempat kerja, beberapa masalah yang sangat mengecewakan, eksponensial dan faktor-faktor yang kompleks dalam perniagaan, pentadbiran, perubatan kejuruteraan, dan banyak lagi akan diselesaikan dalam masa superpolinomial atau lebih cepat. Keuntungan ini adalah hakikat dan mereka dijamin oleh logiknya untuk berfungsi; satu-satunya soalan adalah berapa lama masa yang diperlukan untuk komputer ini tiba.

Mentakrifkan semula Komputer untuk Zaman Pasca Klasik

Masalah yang dihadapi komputer klasik ke hadapan adalah hakikat kepada sifat elektronik komputer itu sendiri. Berkembang dari litar elektronik sederhana, komputer menggunakan metodologi pengiraan yang sangat spesifik untuk menyelesaikan masalah dan oleh itu ia dikunci secara kekal ke dalam model pengiraan nombor binari berturutan yang telah digunakan oleh elektronik selama lebih dari satu abad. Model yang dominan dalam teknologi ini tidak bermaksud satu-satunya cara untuk melakukan pengiraan.

Spintronics, yang menggunakan putaran elektron dan sifat magnetik yang dihasilkan oleh putaran ini, menunjukkan janji paling banyak sebagai mekanisme penyimpanan kerana ketahanannya terhadap gangguan magnet luaran, jenis yang dapat menghapus seluruh cakera keras yang bergantung pada teknologi penyimpanan data feromagnetik semasa .

Kualiti magnetik elektron juga menunjukkan bahawa transistor semikonduktor spintronik dapat dibangun yang dapat menggegarkan Hukum Moore kembali hidup, setidaknya untuk sementara waktu. Atom mungkin kecil, tetapi mereka hampir semua inti. Elektron yang mengorbit nukleus sementara itu adalah ukuran magnitud yang lebih kecil daripada atom itu sendiri, jadi mungkin untuk mengemas ribuan kali lebih banyak transistor spintronik ke cip silikon semasa, memberikan komputer klasik peluang untuk mengelilingi keseluruhan hukum fizik dan masalah kimia.

Menjauh dari obsesi kita dengan silikon cip, ada satu lagi bidang penyelidikan komputasi utama yang mempunyai sejumlah besar potensi. Pengkomputeran DNA mungkin kelihatan membingungkan dan mungkin sedikit pelik pada pandangan pertama, tetapi jika anda memikirkannya, itu adalah calon yang jelas untuk penyelidikan dan pengembangan pengkomputeran pasca-klasik.

Sejak helai DNA pertama menyandi arahan untuk membuat dan mengoperasikan organisma bersel tunggal, ia telah berkembang menjadi mekanisme yang kuat untuk penghantaran dan penyimpanan data, tetapi para penyelidik kini menggali lebih jauh ke dalam blok bangunan DNA itu sendiri , dan berpotensi sebagai mekanisme pengiraan dengan sendirinya.

Penyelidikan telah menunjukkan [PDF] bahawa empat asid amino yang berbeza - A, T, C, dan G - yang berfungsi sebagai blok bangunan DNA dapat digunakan kembali untuk bertindak sebagai bit yang dapat dikodekan. Apabila dicampurkan, asid amino ini secara semula jadi tersusun menjadi helai DNA dan bukan hanya DNA tetapi semua permutasi DNA yang berbeza mungkin dilakukan dengan bahan yang ada.

Ini adalah inovasi yang berpotensi mengubah permainan kerana menjalankan operasi pada superposisi qubits tidak sama dengan pengkomputeran selari sejati. Komputer kuantum hanya akan memberi anda satu output, sama ada nilai atau keadaan kuantum yang dihasilkan, jadi utiliti mereka menyelesaikan masalah dengan kerumitan masa eksponensial atau faktorial akan bergantung sepenuhnya pada algoritma yang digunakan.

Walau bagaimanapun, pengkomputeran DNA memanfaatkan keupayaan asid amino ini untuk membangun dan menyusun dirinya menjadi helai DNA yang panjang. Campurkan asid amino ini, dan secara semula jadi ia akan menjadi lebih lama dan lebih kompleks permutasi dari set asid amino. Sekiranya anda mengikuti siri ini, kata-kata itu pasti melonjak anda. Permutasi adalah proses dengan kerumitan waktu faktorial, dan merupakan cabaran mendasar yang harus diatasi jika kita ingin menyelesaikan masalah NP-lengkap. Permutasi adalah semua perkara pengoptimuman, dan kemungkinan daripada komputer kuantum dapat dijumpai pengoptimuman diluar kemampuannya untuk menyelesaikan.

Itulah yang menjadikan pengkomputeran DNA menjadi perkembangan baru yang menarik. Sekiranya kita menyandikan nama sebuah bandar dalam masalah jurujual perjalanan sebagai beberapa kombinasi asid amino dan membuang semua asid amino ini ke dalam bikar, setelah mereka mula mengumpulkan diri ke dalam helai DNA, penyelesaian yang betul untuk masalah jurujual perjalanan akan tumbuh secara organik daripada proses ini.

Dalam waktu kurang dari satu menit, penyelesaian untuk masalah penjualan penjual akan berada di dalam bikar itu dalam bentuk untaian DNA, dan tantangannya adalah mencari jalan untuk menyaring jawapan yang salah sehingga kita dapat mengasingkan solusi yang optimum ini. Menyaring banyak helai DNA yang tidak betul untuk mencari yang optimum bukanlah tugas kecil, tanpa persoalan, tetapi ia juga tidak masalah meresap setiap helai DNA yang mungkin. Seperti yang kita lihat dalam algoritma Shor, kadang-kadang kunci untuk mencari jalan keluar untuk masalah yang tidak dapat diselesaikan adalah mengubahnya menjadi masalah setara yang lebih mudah diselesaikan.

Walaupun ini masih merupakan perkara yang sukar dilakukan, ia jauh lebih mudah daripada pemaksaan secara kasar dan mengesahkannya untuk mencari jalan terbaik untuk diambil oleh jurujual kami. Penyelidikan berterusan mengenai pengkomputeran DNA akan menunjukkan keberkesanannya pada waktunya, tetapi helai DNA yang dipasang sendiri menawarkan janji pengiraan selari sejati, sesuatu yang bahkan tidak dapat dituntut oleh pengkomputeran kuantum.

Kami Mendekati Horizon Kejadian Teknologi

Sangat mungkin sebelum kita melihat semua ini, umat manusia akan akhirnya mengebom dirinya sendiri ke zaman kegelapan baru yang memerlukan ribuan tahun untuk pulih.

Penting untuk diingat bahawa walaupun kemajuan tidak dijamin, perubahan selalu berlaku dan jenis kemunduran teknologi dan ilmiah yang akan diwakili oleh zaman kegelapan baru ini adalah satu-satunya perbandingan yang dapat saya buat yang merangkumi skala perubahan yang mungkin datang dari peralihan ke era pasca-klasik.

Kemanusiaan benar-benar mendekati cakrawala peristiwa teknologi. Terdapat sesuatu di seberang jurang klasik-pasca-klasik, ia mungkin jauh lebih besar daripada yang dilihat dari sini, dan sebarang ramalan tentang apa yang akan kita dapati setelah kita melaluinya sama baiknya dengan orang lain .

Walaupun dapat membuat spekulasi tentang kemajuan tertentu, tetapi apa yang lebih penting daripada kemajuan yang ada adalah sinergi yang dihasilkan oleh kemajuan yang berbeza ini. Sinergi terkenal lebih besar daripada jumlah bahagiannya, tetapi apa maksudnya apabila bahagian anda adalah blockchain, rangkaian 5G, komputer kuantum, dan kecerdasan buatan yang maju?

Apa pun yang akhirnya, ia akan mentakrifkan semula pengiraan seperti yang kita ketahui dan implikasi sistem baru yang akan kita hasilkan dengan mengintegrasikan pelbagai model ini akan sangat besar sehingga satu-satunya perkara yang saya tahu pasti adalah bahawa perjalanan kita ke dalam dunia klasik dijamin akan menjadi perjalanan sehala.


Tonton videonya: Quantum Computing for Dummies: A Simple Explanation for Normal People (Januari 2022).