Sbírky

Kvantové algoritmy a budoucnost post-klasických výpočtů

Kvantové algoritmy a budoucnost post-klasických výpočtů

Toto je poslední článek v sedmidílné sérii Algorithms and Computation, která zkoumá, jak používáme jednoduchá binární čísla k napájení našeho světa. První článek, Jak algoritmy řídí svět, ve kterém žijeme, najdete zde.

Jako tisíciletý starší jsem dospěl stejně jako nejdůležitější lidský vynález od té doby, co se kolo začalo v našich poštovních schránkách objevovat v polovině 90. let: CD se softwarem nabízející bezplatné zkušební verze pro služby jako America Online, Compuserve, a Zázrak. Tyto první průzkumné kroky do tohoto revolučního digitálního prostoru přišly, když jsme byli dost staří, abychom si jasně pamatovali život před internetem, ale stále dost mladí na to, abychom přijali technologii způsobem, který naši rodiče nemohli.

Rádi jsme vyčerpali tisíce dolarových účtů za kreditní karty binging na chatovacích místnostech, vývěskách, okamžitých zprávách a jiném prvotním internetovém obsahu - to je pravda, děti, tehdy jsme museli platit za internet každou hodinu--ale to byl problém maminky a táty, měli jsme celý civilizační přechod, kterého jsme se zúčastnili. Transformační pokrok v globálním měřítku obvykle trvá čas, dokonce i celé generace, než ho dosáhneme, ale my jsme ho stáhli za méně než dekáda a strávil další desetiletí posouváním hranic toho, co bylo možné pomocí počítače a připojení k internetu, a bohužel jsme se do těchto limitů dostali docela rychle.

Vzestup a úpadek klasického počítače

Internet je pro všechny záměry a účely cestou klasických počítačů. Propojeny společně miliardy počítačů všech tvarů a velikostí spolupracují prostřednictvím algoritmů, rádiových signálů a optických kabelů a vytvářejí způsob života, který, pokud víme, je ve vesmíru jedinečný. Ještě neuvěřitelnější je, že klasická výpočetní technika toho dosáhla za méně než dvě generace lidí, což je míra technologického pokroku bez historického precedentu.

SOUVISEJÍCÍ: CO SE PŘESNĚ ZMĚNÍ VÝPOČETNÍ VÝPOČET?

Pro 40 let„Moorův zákon řídil nebývalý lidský pokrok poválečné éry, ale křemíkový počítačový čip je fyzický materiál, takže se řídí zákony fyziky, chemie a inženýrství. Po miniturizaci tranzistoru na integrovaném obvodu v nanoskopickém měřítku se tranzistory prostě nemohou stále zmenšovat každé dva roky. S miliardy elektronických součástek vyleptané do pevné hranaté desky z křemíku ne více než 2 palce široký, můžete spočítat počet atomů, které tvoří jednotlivé tranzistory.

Nedávné problémy společnosti Intel s do očí bijícími bezpečnostními chybami v jejich procesorech jsou přímým důsledkem toho, že se inženýři musí pokusit přijít s kreativními způsoby, jak zlepšit výkon a rychlost procesoru, když již není možné fyzicky vylepšit samotný integrovaný obvod. Jak se tranzistory zmenšily na spravedlivé 7 nanometrů dlouho nás inženýři dostali do bodu, kdy tranzistory používají nejmenší možný počet atomů k vytvoření funkční komponenty. Jakákoli menší a strukturální integrita tranzistoru by se rychle rozpadla a ztratila by schopnost zadržovat a směrovat elektrický proud, který přenáší informace, díky nimž jsou počítače tak silné.

Počítače nikdy nebyly rychlejší nebo hbitější, pokud jde o přepínání a manipulaci s elektrickým proudem, který napájí jeho operace, ale prostě nemůžete přimět elektrony, aby se pohybovaly jinou rychlostí, než jakou určuje médium, kterým prochází . Jediným způsobem, jak „zrychlit“ tok elektronů, je snížit vzdálenost, kterou musí urazit mezi logickými branami, aby operace přinesly výsledky o několik bilionů sekundy rychlejší než dříve, což je to, pro co jsme to dělali 40 let.

Moderní počítačové procesory jsou nepopiratelně rychlé, ale bohužel nejsou dostatečně rychlé. Přes svou neuvěřitelnou sílu byl klasický počítač účinně poražen matematickými realitami neřešitelných, ale kriticky důležitých problémů, jako je optimalizace a skládání proteinů. Sekvenční povaha klasického provozu počítače znamená, že samy o sobě nikdy nebudou schopné předjet tempo růstu O (2n) nebo Na!) problém.

Nikdo nechce připustit, že neuvěřitelná technologická jízda, kterou jsme si užili za poslední půlstoletí, se chýlí ke konci, ale pokud nebudou nalezeny algoritmy, které by poskytly zkratku kolem této rychlosti růstu, musíme se dívat za klasický počítač pokud si máme udržet naše současné tempo technologického pokroku.

Hype kolem post-klasických počítačů zní utopicky, ale překvapivě oprávněně

Kvantové výpočty jsou tématem, které se v minulosti hodně lidí, včetně mě, v minulosti pokazilo, a existují lidé, kteří varují před přílišnou důvěrou ve schopnost kvantového počítače osvobodit nás od výpočetní slepé uličky, ve které jsme uvízli.

Tato technologie je v plenkách a existuje řada důvodů pochybovat o tom, že někdy uvidíme kvantový počítačový ekvivalent domácího počítače Apple II. Nejsou to jen qubity, které musíte zvládnout; museli byste také objevit materiál schopný supravodivosti pokojové teploty a zjistit, jak byste udržovali vnitřní prostředí pro qubity, které je třeba udržovat co nejblíže absolutní nule, aby to fungovalo.

Kromě toho drtivá většina práce, kterou počítač musí udělat, nebude provedena na kvantovém počítači rychleji než na klasickém. Sekvenční operace nejsou typem věcí, pro které jsou kvantové počítače navrženy, takže dlouho poté, co kvantové počítače plně dorazí, budeme v dohledné budoucnosti stále používat klasické počítače, zatímco kvantové počítače pravděpodobně zůstanou v podnikových a národních laboratořích se zpracovatelskými službami poskytovanými prostřednictvím cloud computing na základě algoritmu po algoritmu.

Přes veškerou práci potřebnou k vytvoření a udržování qubits v superpozici kvantové počítače v tuto chvíli nedělají nic moc a pravděpodobně tomu tak bude alespoň na chvíli. Bylo by vám odpuštěno, když si myslíte, že kvantové počítače jsou spousta klobouku a žádný dobytek, ale to by také byla vážná nesprávná charakteristika stavu technologie a glosuje význam toho, co už víme právě přichází za horizont.

Jednou ze silných stránek matematických systémů je jejich prokazatelnost logikou. Pokud můžeme dokázat, že věc je logická, tato pravda se nikdy nezmění. To je druh věci, která nám dává jistotu budovat rakety a vesmírná plavidla, která mohou být pilotována s téměř přesnou přesností ze vzdálenosti čtyři a půl miliardy kilometrů, a proto můžeme říci, že kvantové výpočty nebudou jen transformační, můžeme vám přesně říct proč.

Za 25 let, co Peter Shor zveřejnil první kvantový algoritmus - který ukázal, že primární faktorizace celých čísel lze provést na kvantových počítačích v polynomiálním čase - vyvinuli matematici a počítačoví vědci další kvantové algoritmy, které řeší problémy, které se klasické počítače snaží vyřešit . Z těch desítek kvantových algoritmů je mnoho z nich řádově rychlejší než nejúčinnější klasický algoritmus, jaký známe, a jsou možné jen díky jedinečnému kvantovému prostředí, ve kterém fungují.

Jednou z nejdůležitějších prací v oblasti kvantové výpočetní techniky bylo vytváření algoritmů, které simulují různé kvantové systémy, které se objevují ve všem od laserové technologie po medicínu. Tyto algoritmy budou schopny překonat podobné klasické počítačové simulace s velkou rezervou. V současné době jsou klasické algoritmy, které provádějí molekulární simulaci, omezeny na druhy molekul, které dokáže simulovat. Tyto algoritmy jsou obvykle omezeny na molekuly s méně než 70 spin-orbitály, o nic víc, a složitost simulace roste tak rychle, že se stane nepoddajnou.

Jeden qubit mezitím může dostatečně účinně představovat jeden z těchto orbitalů, takže kvantový počítač s pouhými 100 qubity - kvantový počítač D-Wave 2X má 1152 qubitů, i když byl vytvořen tak, aby provozoval prostorný algoritmus, nikoli jako obecný účel kvantový počítač - umožnil by molekulární simulace, které klasické počítače nejsou ani zdaleka schopné simulovat a pravděpodobně nikdy nebudou. Tyto simulace mohou potenciálně odhalit všechny způsoby dříve neznámých sloučenin, které mohou poskytovat nové terapie pro libovolný počet onemocnění.

Existují kvantové algoritmy pro všechno, od hloubkových průzkumů a kvantových procházení po grafu až po řešení systémů lineárních rovnic, diferenciálních rovnic a dokonce i pokroku v určitých třídách optimalizačních problémů, jako je adiabatická optimalizace. To, co těmto algoritmům chybí, je však dostatečně výkonný kvantový počítač s dostatečným počtem qubitů, aby mohl běžet.

To však nebude navždy, a až přijde čas sundat tyto algoritmy z regálu a uvést je do provozu, jedny z nejvíce frustrovaně neřešitelných, exponenciálně a faktoriálně složitých problémů v podnikání, administrativě, medicíně, inženýrství a další budou vyřešeny v superpolynomiálním čase nebo rychleji. Tyto zisky jsou skutečným řešením a jsou zaručeny jejich logikou práce; Jedinou otázkou je, jak dlouho bude trvat, než tyto počítače dorazí.

Předefinování počítače pro postklasický věk

Problém, kterému čelí klasické počítače do budoucna, je vlastní elektronické povaze samotných počítačů. Počítače vycházející z jednoduchých elektronických obvodů používají k řešení problémů velmi specifickou výpočetní metodiku, takže je trvale uzamčena do modelu výpočtu sekvenčního binárního čísla, který elektronika používá již více než století. Dominantní místo tohoto modelu v naší technologii neznamená, že je to jediný způsob provádění výpočtů.

Spintronics, který využívá rotaci elektronů a magnetické vlastnosti, které tato rotace produkuje, ukazuje nejslibnější mechanismus ukládání díky své nepropustnosti vůči vnějším magnetickým poruchám, druhu, který může vymazat celé pevné disky, které se spoléhají na současnou technologii ukládání feromagnetických dat .

Magnetické vlastnosti elektronů také naznačují, že by mohl být sestaven spintronický, polovodičový tranzistor, který by alespoň na chvíli mohl oživit Mooreův zákon. Atomy mohou být malé, ale jsou to skoro všechna jádra. Elektrony, které obíhají kolem jádra, jsou zatím řádově menší než atom samotný, takže by mělo být možné zabalit tisíckrát tolik spintronických tranzistorů na současné křemíkové čipy, což klasickým počítačům dává příležitost obejít celý tento zákon fyziky a chemický problém.

Odklon od naší posedlosti křemíkovými čipy existuje další významná oblast výpočetního výzkumu, která má neuvěřitelné množství potenciálu. Výpočty DNA se na první pohled mohou zdát matoucí a možná trochu divné, ale pokud se nad tím zamyslíte, je to zřejmý kandidát na post-klasický výpočetní výzkum a vývoj.

Od chvíle, kdy první řetězce DNA zakódovaly pokyny pro tvorbu a provoz jednobuněčných organismů, rozrostly se v mocný mechanismus pro přenos a ukládání dat, ale vědci se nyní hlouběji zabývají jednotlivými stavebními kameny samotné DNA a je to potenciál jako samostatný výpočetní mechanismus.

Výzkum ukázal [PDF], že čtyři odlišné aminokyseliny - A, T, C a G - které slouží jako stavební kameny DNA, mohou být znovu použity jako kódovatelné bity. Po smíchání se tyto aminokyseliny přirozeně samy shromažďují do řetězců DNA a ne jen do jakékoli DNA, ale do všech možných různých permutací DNA s dostupnými materiály.

Jedná se o potenciálně inovativní změnu hry, protože provádění operací na superpozici qubitů není totéž jako skutečné paralelní výpočty. Kvantové počítače vám poskytnou pouze jeden výstup, buď hodnotu, nebo výsledný kvantový stav, takže jejich řešení problémů s exponenciální nebo faktoriální časovou složitostí bude zcela záviset na použitém algoritmu.

Výpočet DNA však využívá schopnost těchto aminokyselin budovat se a sestavovat se do dlouhých řetězců DNA. Smíchejte tyto aminokyseliny a přirozeně se vytvoří delší a složitější obměny sady aminokyselin. Pokud sledujete sérii, tato slova na vás měla vyskočit. Permutace je proces s časovou složitostí faktoriálu a je to zásadní výzva, kterou je třeba překonat, pokud se chystáme vyřešit NP-úplný problém. Permutace jsou o optimalizace, a je pravděpodobné, že ani kvantový počítač nenajde optimalizace nad její moc řešit.

Díky tomu je výpočet DNA tak vzrušujícím novým vývojem. Pokud zakódujeme název města v problému obchodního cestujícího jako nějakou kombinaci aminokyselin a hodíme všechny tyto aminokyseliny do kádinky, jakmile se začnou samy shromažďovat do řetězců DNA, správné řešení problému obchodního cestujícího bude organicky vyrůst z tohoto procesu.

Za méně než minutu bude řešení problému obchodního cestujícího sedět v té kádince ve formě řetězce DNA a výzvou bude hledání způsobu, jak odfiltrovat nesprávné odpovědi, dokud nebudeme moci izolovat toto optimální řešení. Filtrování nespočetného počtu nesprávných řetězců DNA za účelem nalezení optimálního není bezpochyby malý úkol, ale je to také ne problém obměňující každý možný řetězec DNA. Jak jsme viděli v Shorově algoritmu, někdy klíčem k nalezení řešení neřešitelného problému je proměnit jej v ekvivalentní problém, který je snazší vyřešit.

I když je to stále výpočetně těžká věc, je to mnohem jednodušší než hrubé vynucení permutací a jejich ověření doslovem, abychom našeli nejlepší cestu, po které se náš prodejce může vydat. Probíhající výzkum výpočetní techniky DNA časem odhalí její skutečnou účinnost, ale samovolně se shromažďující řetězce DNA nabízejí příslib skutečných paralelních výpočtů, něco, co ani kvantové výpočty nemohou tvrdit.

Rychle se blížíme k horizontu technologických událostí

Je zcela možné, že než něco z toho uvidíme, lidstvo skončí bombardováním do nového temného věku, jehož zotavení trvá tisíce let.

Je důležité si pamatovat, že zatímco pokrok není zaručen, změna vždy je a druh technologického a vědeckého ústupu, který by tento nový temný věk představoval, je jediné srovnání, které mohu udělat a které zachycuje rozsah změn, které mohou vyplynout z přechodu do post-klasická éra.

Lidstvo se skutečně nepřibližuje k horizontu technologických událostí. Na druhé straně klasicko-post-klasického rozdělení je něco, je pravděpodobné, že bude mnohem masivnější, než to vypadá odsud, a jakákoli předpověď toho, co najdeme, jakmile to projdeme, je stejně dobrá jako kdokoli jiný. .

I když může být zábavné spekulovat o konkrétních pokrokech, na čem bude v konečném důsledku záležet mnohem více než na jakémkoli dalším pokroku, budou synergie produkované těmito různými pokroky ve spolupráci. Synergie jsou skvěle větší než součet jejich částí, ale co to znamená, když jsou vašimi částmi blockchain, sítě 5G, kvantové počítače a pokročilá umělá inteligence?

Ať to skončí jakkoli, předefinuje výpočet, jak jej známe, a důsledky nových systémů, které vytvoříme integrací těchto různých modelů, budou tak obrovské, že jediné, co jistě vím, je, že náš přechod do post- klasický svět je zaručeně jednosměrný výlet.


Podívejte se na video: Rituál na zmírnění, sejmutí, zlomení kletby, prokletí, uřknutí nebo uhranutí (Leden 2022).