Bagaimana perasaan Komputer Quantum di sebelah Komputer Klasik

Mengapa Kita Membutuhkan Komputer Quantum

Bukan Hanya Karena Mereka Keren.

Inilah jawaban singkatnya:

  • Departemen matematika dan sains dunia memiliki tembok di depan mereka yang disebut 'masalah sangat sulit' (pikirkan: menyembuhkan kanker, baterai hemat energi [atau apa pun yang hemat energi], dan desain bahan).
  • Otak manusia itu smol. Jadi kami menciptakan komputer untuk menghitung hal-hal lebih cepat. (Komputer adalah representasi dari cara manusia berpikir, lebih cepat.)
  • Bahkan superkomputer yang paling kuat tidak memiliki daya komputasi yang cukup untuk menghancurkan dinding yang disebut 'masalah yang sangat sulit'.
  • Komputer Quantum 'berpikir' / beroperasi secara berbeda. Mereka bisa menyelamatkan hari!

Inilah jawaban panjangnya:

  • Baca artikel

(termasuk mengapa kami tidak bisa menghancurkan dinding yang disebutkan sebelumnya)

(Baca dengan baik. lanjutkan.)

Einstein agak pintar.

Ikon fisika teoretis muncul dengan teori relativitas (pilar fisika modern), menciptakan senjata yang akan mengakhiri perang terbesar sepanjang masa, dan memupuk persamaan paling terkenal.

Butuh sesuatu yang besar untuk membingungkan master atom.

Atau sesuatu yang sangat kecil.

Seperti ... lebih kecil dari atom.

Einstein mungkin adalah penguasa atom, tetapi dia benar-benar diperintah ketika harus memahami partikel kuantum (partikel sub-atom).

Untungnya, saya bisa bantu.

Fisika seperti yang kita ketahui dan lihat, didefinisikan oleh hukum Newton dan Einstein. Mereka adalah sifat-sifat yang bisa diamati yang digambarkan oleh atom-atom di sekitar kita. Hukum-hukum ini mewakili bagaimana kita secara fisik mengalami dunia, dan telah didefinisikan dengan cara matematika yang logis dalam pikiran manusia kita.

Tetapi ketika kita mengunjungi partikel yang berada di dalam atom, kita menemukan pengamatan yang sangat aneh, mereka benar-benar bertentangan dengan intuisi alami kita.

Partikel-partikel sub-atomik ini bermain dalam ranah mekanika kuantum.

Kembali pada 1920-an, Einstein dan Niels Bohr menjadi berita utama dengan perselisihan konstan mereka atas legitimasi mekanika kuantum. Sementara Einstein percaya bahwa realitas fisik ada terlepas dari kemampuan kita untuk mengamatinya, Bohr dan para pengikutnya percaya bahwa tidak masuk akal berspekulasi tentang 'realitas pamungkas' yang ada di luar persepsi kita - bahwa semua yang kita bisa, dan harus ketahui adalah hasil dari observasi dan pengukuran.

Ilmuwan modern jauh melewati perdebatan legitimasi mekanika kuantum, dan menggunakan komputer untuk mengeksploitasi sifat mereka.

Sementara mereka (semoga) tidak akan membuat lini mesin kematian yang modis, komputer kuantum bahkan membuat pemerintah terlihat cukup tertarik. Maaf, Bohr.

Tetapi memahami mekanika kuantum yang digunakan untuk perhitungan, lebih bermanfaat bagi kita daripada menggelitik pikiran penasaran kita (seperti yang terjadi pada Einstein).

Komputer kuantum memiliki potensi untuk memecahkan hambatan yang menahan inovasi dalam matematika, kedokteran, dan desain materi.

Memahami dasar-dasar mekanika kuantum tingkat tinggi sebenarnya tidak terlalu sulit untuk dipahami, dan untuk benar-benar memahami bagaimana komputer kuantum dapat menyelamatkan nenek Anda, Anda harus membaca ini:

Sudah kembali? Sungguh celana yang cerdas. Mari kita mulai.

Manusia senang memberi penghargaan pada kemampuan kognitif kita, dan terus-menerus menyombongkan diri tentang dunia yang maju secara teknologi tempat kita hidup. Setiap teknologi lebih cepat dan lebih kecil daripada sebelumnya, dan telah membantu kita mencapai standar hidup yang lebih besar yang tidak dapat dibayangkan. bahkan 25 tahun yang lalu.

Ini semua pelangi dan unicorn sampai kita sadari - ada begitu banyak masalah yang dihadapi para ilmuwan dengan tetesan itu dalam kehidupan kita sehari-hari - yang belum terpecahkan ... dan kita tidak bisa terus mengembangkan komputer lebih cepat atau lebih kecil untuk menyelesaikannya.

Tunggu. Kenapa begitu?

Mengapa kita tidak bisa memanfaatkan beberapa tahun ilmuwan dan kutu buku yang melakukan hal mereka dan menunggu hal-hal seperti obat pribadi datang kepada kita?

Ya, mungkin itu akan berhasil - kecuali itu tidak akan terjadi.

Ada 2 masalah utama:

  1. Bagaimana komputer bekerja
  2. Komputer sangat kecil

Menggigit bit demi bit

Komputer konvensional terbatas untuk melakukan satu hal pada satu waktu.

Ini karena pada dasarnya, komputer digital hanya menerima dan memproses informasi secara linear, teratur - melalui bit yang hanya membaca 0s dan 1s. (Seperti yang Anda ketahui sekarang melalui artikel saya).

Saat menghadapi masalah yang mengharuskan komputer kami mempertimbangkan banyak parameter dan situasi - komputer tidak dapat melakukannya dengan efisien. Untuk mencapai hasil, komputer digital harus bekerja melalui setiap kemungkinan sebelum sampai pada kesimpulan.

Karena itu,

Semakin kompleks masalahnya, semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikannya ...

Proses menggunakan bit klasik untuk mempertimbangkan banyak konfigurasi dapat mengambil superkomputer terbesar di dunia - dan jika kita mencoba untuk terus berinovasi dengan baik hingga usia dewasa muda saya ... sesuatu perlu diubah.

Alasan numéro deux:

Teknologi kami secara fisik tidak akan membiarkan kami.

Kami berada di titik dalam kehidupan kami ketika hukum Moore tidak lagi relevan.

Hmm ... transistor ... kedengarannya penting.

Kita dapat memahami bagaimana komputer klasik telah mencapai batas komputasi mereka dengan memahami transistor.

Komputer pada dasarnya adalah sirkuit elektronik (sangat kompleks) yang terdiri dari kabel penghubung dan sekelompok sakelar yang dapat dinyalakan atau dimatikan. Sakelar ini dikendalikan secara elektronik (ya, ini disebut sirkuit elektronik), dan disebut transistor.

Dengan menempatkan transistor di sirkuit, kami menghentikan dan memulai aliran arus listrik.

Anda juga dapat mengatakan transistor menempatkan suatu kondisi pada sirkuit, memutuskan apakah arus listrik dapat mengalir atau tidak.

Jadi sekarang sirkuit Anda memiliki kemampuan untuk memutuskan aliran arus, berdasarkan kondisi ini.

Jadi pada dasarnya,

lebih banyak transistor = lebih banyak kondisi = lebih banyak gerbang = perhitungan lebih rumit

Mengerti? Bagus.

Tumpukan sekelompok gerbang di sebuah sirkuit dan pada dasarnya Anda memiliki laptop, Anda mungkin membaca artikel ini.

Waktu (dan sekelompok kutu buku) memungkinkan kami menemukan teknik pembuatan baru untuk membuat transistor yang lebih kecil dan lebih kecil - dan untuk menyesuaikannya di ruang yang lebih kecil (seperti papan sirkuit).

Saat transistor semakin kecil, ruang yang dibutuhkan untuk tempat menjadi semakin kecil, sehingga kami mulai menyebutnya 'keripik'.

Perusahaan seperti Intel adalah transistor produksi massal yang hanya berukuran 14 nanometer. Itu hanya 14 kali lebih luas dari molekul DNA Anda. Itu gila.

Kami telah membuat transistor sangat kecil, sehingga kami sekarang dapat memuat 4,3 miliar dari mereka dalam sebuah chip sekecil satu sen (jika hal-hal itu ada lagi).

Dengan banyak transistor ini, kami telah menciptakan satu ton gerbang logika yang dijadikan budak untuk melakukan perhitungan yang sangat rumit bagi kami. Terkadang, kami menggunakan kekuatan komputasi yang sangat kompleks ini untuk alasan yang tidak terlalu rumit atau intelektual - seperti menelusuri Reddit.

Bagaimanapun.

Transistor terbuat dari silikon.

Ukuran atom silikon adalah sekitar 0,2 nanometer, membuat transistor kami lebarnya sekitar 70 atom silikon. Itu membuat kemungkinan membuatnya lebih kecil - lebih kecil dari sebelumnya.

Pada skala sekecil ini, kita mulai menghadapi beberapa kelainan. Partikel, seperti elektron, mulai berperilaku di bawah hukum Fisika Quantum (yay untuk Anda! Anda tahu apa artinya ini!).

Oleh karena itu, batas daya komputasi cukup berkorelasi langsung dengan batas seberapa kecil kita dapat membuat transistor kita.

Jadi ... komputer kita saat ini tidak dapat menyelesaikan masalah yang kita inginkan, dan kita bahkan tidak dapat membuat komputer menjadi lebih kuat atau kompleks untuk diakomodasi.

Jadi, apa ini?

Ini dia:

Para ilmuwan membuat komputer yang menggunakan sifat-sifat fisika kuantum untuk perhitungan. Artinya, proses komputasi kita akan dapat beroperasi pada bidang eksponensial, bukan linier.

Untuk Apa Quantum Computers Ada

Komputer kuantum bermain dengan partikel di Alam Kuantum ...

Masuk akal.

Karena komputer kuantum dapat mensimulasikan keadaan secara bersamaan, ia dapat mempertimbangkan beberapa konfigurasi sekaligus - dan memproses informasi dalam jumlah yang luar biasa.

Bahkan, ia dapat menyimpan informasi secara eksponensial lebih daripada bit klasik.

Kekuatan ‘eksponensial’ terletak pada kapasitas komputer kuantum untuk menggandakan status yang dapat disimpan sistem secara bersamaan - saat Anda menambahkan qubit tunggal.

Dua qubit dapat menyimpan empat negara, tiga qubit dapat menyimpan delapan negara, empat qubit dapat menyimpan 16 negara ... Anda mendapatkan ide.

Untuk situasi di mana Anda membutuhkan 50 qubit terjerat untuk memodelkan status kuantum, Anda harus menyandikan 1,125 kuadriliun bit klasik untuk menyimpan jumlah informasi yang sama.

Kenapa Saya Peduli Tho.

Sepanjang artikel ini, saya telah melakukan hal yang sangat berantakan ini yang disebut 'menjadi sangat samar', dan belum benar-benar mendefinisikan masalah apa pun yang tidak dapat diselesaikan oleh komputer klasik (dan komputer kuantum dapat).

Saya pikir sudah waktunya untuk memperbaikinya.

Pertimbangkan situasi kehidupan nyata: simulasi molekuler.

Baiklah baiklah Tetap bersamaku di sini. Saya tahu ini sepertinya sesuatu yang hanya harus ditangani oleh para peneliti dan buku pelajaran sekolah menengah ... tetapi sadari ini: molekul membentuk semua bahan di sekitar kita.

Itu menyisakan ruang berlimpah untuk aplikasi simulasi molekuler.

Mari kita ambil masalah yang memengaruhi semua orang (yang dimaksudkan) di planet ini: kedokteran.

Sampai sekarang, dibutuhkan setidaknya 12 tahun untuk obat bepergian dari laboratorium, ke lemari obat Anda. (Jika itu sampai sejauh itu.)

Itu adalah masa hidup bagi sebagian orang, dan kemewahan bagi orang lain yang tidak memiliki 12 tahun menunggu obat yang bahkan mungkin tidak memulihkan kesehatan mereka.

12 tahun dan setidaknya $ 648 juta (hingga 2,7 MILIAR) dolar untuk sedikit peluang Anda dapat disembuhkan dari penyakit yang mungkin tidak Anda inginkan.

Peluang kecil mungkin sepadan untuk Anda, tetapi saya tertarik untuk membuka celah peluang itu.

Model Bahan Kimia

Cara kami mencoba membuat obat yang menyelamatkan jiwa hari ini, adalah dengan menggunakan pemodel kimia.

Model-model ini untuk bahan kimia secara terus-menerus mencoba menciptakan senyawa dengan dipaksa untuk memperkirakan bagaimana molekul yang tidak diketahui mungkin berperilaku, kemudian mengujinya di dunia nyata untuk melihat apakah itu berfungsi seperti yang diharapkan.

Proses bolak-balik yang konstan ini memakan waktu dan sumber daya yang intensif (halo, 12 tahun dan beberapa juta dolar).

Itu juga tidak benar-benar berfungsi.

Simulasi molekul adalah semua tentang menemukan keadaan dasar suatu senyawa - konfigurasi paling stabil. Dengan semua praktek cross-over di kelas kimia, ini bisa terdengar cukup mudah. Tetapi untuk benar-benar mengetahui keadaan dasar molekul, Anda harus mempertimbangkan lebih dari sekadar menyeimbangkan persamaan kerangka:

  • bagaimana setiap elektron dalam setiap atom akan berinteraksi dengan semua inti atom lainnya
  • efek kuantum yang terjadi pada skala kecil seperti itu

Parameter-parameter ini menjadi lebih sulit secara eksponensial untuk ditangani seiring dengan meningkatnya ukuran molekul.

Otak biner dan komputer kami tidak dapat memompa konfigurasi optimal dalam waktu yang cukup berguna.

Bahkan ada kata untuk itu: waktu polinomial. Poli-waktu adalah waktu yang dibutuhkan komputer klasik untuk menyelesaikan masalah.

Kami menggunakan gagasan 'dapat menghitung masalah dalam waktu-poli', karena ya - komputer klasik benar-benar dapat mensimulasikan molekul - itu hanya akan membuat mereka menghabiskan banyak waktu untuk melakukannya.

Bahkan superkomputer paling kuat saat ini (yang sangat super) sangat cepat berjuang dengan mensimulasikan molekul dengan tiga atau lebih elemen.

Melacak sifat eksponensial dan interaksi kuantum dari setiap elektron baru dalam ikatan molekul sangat padat karya untuk komputer klasik (dan pemodel kimia saat ini).

Tetapi untuk komputer kuantum yang berurusan dengan interaksi kuantum? Kedengarannya masuk akal.

Jadi disana.

Komputer klasik bukan bois besar yang mereka inginkan. Dan komputer kuantum itu keren.

Banyak orang menganggap naiknya komputer kuantum berarti Anda akan memiliki komputer 16-qubit di pangkuan Anda dalam waktu sekitar satu dekade. Ini cukup banyak (f̵a̵k̵e̵ ̵n̵e̵w̵s̵) palsu karena komputer klasik sangat bagus ... mereka hanya tidak begitu mampu dalam beberapa aspek. Beberapa aspek penting. Aspek yang menahan kita dari membuat hal-hal keren. Seperti molekul. Dan kemudian obat yang dipersonalisasi. Dan baterai hemat energi. Dan mungkin arsitektur yang efisien.

Anda mengerti maksudnya.

Karena cara komputer konvensional secara inheren beroperasi, mereka tidak dapat menghitung konfigurasi tertentu. Dan karena artikel ini, Anda sekarang tahu mengapa.

Bertentangan dengan apa yang diyakini oleh Mr. Bohr, penting untuk memahami bagaimana sesuatu yang tidak dapat diamati seperti pergerakan elektron terjadi.

Molekul membentuk materi di sekitar kita, dan jika kita ingin mengoptimalkan cara kita menggunakan sumber daya kita ... kita tidak bisa terus melakukan apa yang belum bekerja - menggunakan komputer klasik untuk mensimulasikan bahan untuk inovasi. Kita perlu berinvestasi dalam efisiensi.

Saya tahu saya belum benar-benar menjelaskan bagaimana Quantum Computers akan melakukannya - tetapi percayalah, itu akan datang. Saya hanya tidak ingin membuat kalian bosan dengan penjelasan matematis yang mungkin tidak ada di antara Anda.

Tetap disini untuk hal-hal menarik:

  • LinkedIn
  • Medium:
  • Kericau:
  • DM untuk bergabung dengan buletin saya