Come si sentono i computer quantistici accanto a un computer classico

Perché abbiamo bisogno di computer quantistici

Non è solo perché sono fantastici.

Ecco la risposta breve:

  • Il dipartimento di matematica e scienze del mondo ha davanti a sé un muro chiamato "problemi davvero difficili" (pensa: curare il cancro, batterie ad alta efficienza energetica [o qualsiasi altra cosa efficiente dal punto di vista energetico] e design dei materiali).
  • I cervelli umani sono smolli. Quindi abbiamo creato dei computer per calcolare le cose più velocemente. (I computer sono una rappresentazione di come gli umani pensano, solo più velocemente.)
  • Anche il supercomputer più potente non ha abbastanza potenza computazionale per abbattere il muro chiamato "problemi davvero difficili".
  • I computer quantistici "pensano" / operano in modo diverso. Possono salvare la giornata!

Ecco la risposta lunga:

  • leggi l'articolo

(include il motivo per cui non possiamo abbattere il muro precedentemente citato)

(buona lettura. continua.)

Einstein è piuttosto intelligente.

L'icona della fisica teorica è venuta fuori con la teoria della relatività (un pilastro della fisica moderna), ha creato un'arma che avrebbe posto fine alla più grande guerra di tutti i tempi e ha favorito l'equazione più famosa.

Ci vorrebbe qualcosa di grosso per confondere il maestro degli atomi.

O qualcosa di veramente piccolo.

Come ... più piccolo di un atomo.

Einstein avrebbe potuto essere il maestro degli atomi, ma era completamente confuso quando si trattava di comprendere le particelle quantistiche (particelle subatomiche).

Fortunatamente, posso aiutarti.

La fisica come la conosciamo e la vediamo, è definita dalle leggi newtoniane ed einsteiniane. Sono i tratti osservabili che gli atomi intorno a noi sembrano rappresentare. Queste leggi rappresentano il modo in cui sperimentiamo fisicamente il mondo e sono state definite con mezzi matematici che sono logici nella nostra mente umana.

Ma quando visitiamo le particelle che si trovano all'interno di un atomo, ci imbattiamo in osservazioni che sono così strane, che vanno completamente contro la nostra naturale intuizione.

Queste particelle subatomiche giocano nel regno della meccanica quantistica.

Negli anni '20 del secolo scorso, Einstein e Niels Bohr fecero notizia con la loro costante disputa sulla legittimità della meccanica quantistica. Mentre Einstein credeva che una realtà fisica esistesse indipendentemente dalla nostra capacità di osservarla, Bohr e i suoi seguaci credevano che non avesse senso speculare su una "realtà ultima" che esiste al di là delle nostre percezioni - che tutto ciò che possiamo e dovremmo sapere sono i risultati di osservazioni e misurazioni.

Gli scienziati moderni stanno discutendo in passato della legittimità della meccanica quantistica e stanno usando i computer per sfruttare le loro proprietà.

Mentre (si spera) non creeranno un'altra linea alla moda di macchine della morte, i computer quantistici hanno persino governi che sembrano piuttosto interessati. Mi dispiace, Bohr.

Ma comprendere la meccanica quantistica da usare per i calcoli, fa più per noi che formicolare le nostre menti curiose (come ha fatto per Einstein).

I computer quantistici hanno il potenziale per rompere le barriere trattenendo le innovazioni in matematica, medicina e progettazione dei materiali.

Capire le basi di alto livello della meccanica quantistica non è in realtà troppo difficile da capire, e per capire davvero come i computer quantistici possono salvare tua nonna, dovresti leggere questo:

Sei già tornato? Che pantaloni eleganti. Iniziamo.

Gli umani amano dare credito alle nostre capacità cognitive e si vantano costantemente del mondo tecnologicamente avanzato in cui viviamo. Ogni tecnologia è più veloce e più piccola che mai, e ci ha aiutato a raggiungere un livello di vita più elevato che non si sarebbe potuto immaginare anche 25 anni fa.

Questo è tutto arcobaleni e unicorni finché non ci rendiamo conto - ci sono così tanti problemi che gli scienziati affrontano con quel gocciolamento nella nostra vita quotidiana - che non sono stati risolti ... e semplicemente non possiamo continuare a sviluppare computer più velocemente o più piccoli per risolverli.

Aspettare. Perché tu?

Perché non possiamo semplicemente aspettare un altro paio di anni di scienziati e secchioni che fanno le loro cose e aspettare che cose come la medicina personalizzata vengano da noi?

Certo, forse funzionerà, tranne che non lo farà.

Ci sono 2 problemi principali:

  1. Come funzionano i computer
  2. I computer sono davvero piccoli

Bit su bit su bit

I computer convenzionali si limitano a fare una cosa alla volta.

Questo perché, fondamentalmente, i computer digitali ricevono ed elaborano le informazioni solo in modo lineare e ordinato, attraverso bit che leggono solo 0 e 1. (Come forse ora saprai attraverso il mio articolo).

Quando si verifica un problema che richiede ai nostri computer di considerare molti parametri e situazioni, non può farlo in modo efficiente. Per ottenere un risultato, un computer digitale deve esaminare ogni singola possibilità prima di giungere a una conclusione.

Perciò,

Più complesso è il problema, più tempo ci vorrà per risolvere ...

Il processo di utilizzo di bit classici per prendere in considerazione configurazioni multiple può richiedere anche il più grande supercomputer degli anni terrestri - e se stiamo cercando di continuare a innovare bene nei miei giovani anni adulti ... qualcosa deve cambiare.

Motivo del numero:

La nostra tecnologia non ci consente fisicamente.

Siamo a un punto della nostra vita in cui la legge di Moore non è più pertinente.

Hmm ... transistor ... sembra importante.

Possiamo capire come i computer classici hanno raggiunto il loro limite computazionale comprendendo i transistor.

I computer sono fondamentalmente un circuito elettronico (molto complesso) costituito da fili di collegamento e un gruppo di interruttori che possono essere accesi o spenti. Questi interruttori sono controllati elettronicamente (duh, si chiama un circuito elettronico) e sono chiamati transistor.

Posizionando i transistor su un circuito, stiamo arrestando e iniziando il flusso della corrente elettrica.

Puoi anche dire che i transistor posizionano una condizione sul circuito, decidendo se la corrente elettrica può fluire o meno.

Quindi ora il tuo circuito ha la capacità di decidere il flusso di corrente, in base a queste condizioni.

Quindi in poche parole,

più transistor = più condizioni = più porte = calcoli più complicati

Capito? Bello.

Accumula un mucchio di porte su un circuito e fondamentalmente hai il tuo laptop su cui probabilmente stai leggendo questo articolo.

Il tempo (e un mucchio di secchioni) ci ha permesso di trovare nuove tecniche di produzione per creare transistor sempre più piccoli e adattarli a spazi più piccoli (come i circuiti stampati).

Man mano che i transistor diminuivano, lo spazio necessario per il posizionamento si riduceva, tanto che abbiamo iniziato a chiamarli "chip".

Aziende come Intel sono transistor di produzione di massa di soli 14 nanometri. È 14 volte più largo delle molecole del tuo DNA. Questo è pazzesco.

Abbiamo realizzato dei transistor così piccoli, che ora possiamo inserirne 4,3 miliardi su un chip piccolo come un centesimo (se quelle cose esistessero più).

Con questi numerosi transistor, abbiamo creato una tonnellata di porte logiche che schiavizzano per fare calcoli altamente complessi per noi. A volte, utilizziamo questo potere computazionale estremamente complesso per ragioni non così complesse o intellettuali, come scorrere su Reddit.

In ogni modo.

I transistor sono realizzati in silicone.

La dimensione atomica del silicio è di circa 0,2 nanometri, il che rende larghi i nostri transistor circa 70 atomi di silicio. Questo rende la possibilità di renderli ancora più piccoli, più piccoli che mai.

Su una scala così piccola, iniziamo ad affrontare alcune anomalie. Le particelle, come gli elettroni, iniziano a comportarsi secondo le leggi della fisica quantistica (yay per te! Sai cosa significa!).

Pertanto, i limiti del potere computazionale sono abbastanza direttamente correlati al limite di quanto piccoli possiamo realizzare i nostri transistor.

Quindi ... i nostri computer attuali non sono in grado di risolvere i problemi che desideriamo e non possiamo nemmeno rendere i computer più potenti o complessi da accogliere.

Quindi che diavolo?

Ecco l'inferno:

Gli scienziati stanno realizzando computer che utilizzano le proprietà della fisica quantistica per i calcoli. Ciò significa che il nostro processo computazionale sarà in grado di operare su un piano esponenziale, piuttosto che lineare.

Cosa esistono i computer quantistici

I computer quantistici giocano con le particelle nel Reame Quantico ...

Ha senso.

Poiché i computer quantistici possono simulare stati simultaneamente, può prendere in considerazione più configurazioni contemporaneamente ed elaborare una straordinaria quantità di informazioni.

In effetti, può archiviare in modo esponenziale più informazioni di un bit classico.

Il potere dell '"esponenziale" risiede nella capacità di un computer quantistico di raddoppiare gli stati che il sistema può memorizzare simultaneamente - quando si aggiunge un singolo qubit.

Due qubit possono memorizzare quattro stati, tre qubit possono memorizzare otto stati, quattro qubit possono memorizzare 16 stati ... hai capito.

Per una situazione in cui avresti bisogno di 50 qubit intrecciati per modellare gli stati quantistici, dovrai codificare 1.125 quadrilioni di bit classici per memorizzare la stessa quantità di informazioni.

Perché mi interessa Tho.

In tutto questo articolo, ho fatto questa cosa davvero disordinata chiamata "essere davvero vaga", e in realtà non ho definito alcun problema che i computer classici non possono risolvere (e i computer quantistici possono).

Penso che sia tempo di risolvere questo problema.

Considera una situazione di vita reale: simulazione molecolare.

Ok ok. Resta con me qui. So che questo sembra qualcosa che solo i ricercatori e i libri di testo delle scuole superiori devono affrontare ... ma capisco: le molecole compongono tutto il materiale che ci circonda.

Ciò lascia ampio spazio alle applicazioni della simulazione molecolare.

Prendiamo un problema che riguarda tutti (gioco di parole) su questo pianeta: la medicina.

A partire da ora, ci vogliono almeno 12 anni affinché un farmaco viaggi dal laboratorio, nel tuo armadietto dei medicinali. (Se arriva anche così lontano.)

Questa è una durata per alcuni e un lusso per altri che non hanno 12 anni in attesa di un farmaco che potrebbe anche non ripristinare la loro salute.

12 anni e almeno $ 648 milioni (a 2,7 MILIARDI) di dollari per la leggera possibilità che tu possa essere guarito da una malattia che probabilmente non vorrai.

La minima possibilità potrebbe valerne la pena, ma sono interessato ad aprire questa lacuna di opportunità.

Modelli di prodotti chimici

Il modo in cui proviamo a creare farmaci salvavita oggi è utilizzando modellatori chimici.

Questi modelli di sostanze chimiche tentano continuamente la creazione di composti essendo costretti ad approssimare il comportamento di una molecola sconosciuta, quindi testandola nel mondo reale per vedere se funziona come previsto.

Questo costante processo avanti e indietro richiede sia tempo che risorse. (Ciao, 12 anni e qualche milione di dollari).

Inoltre non funziona davvero.

La simulazione molecolare consiste nel trovare lo stato fondamentale di un composto: la sua configurazione più stabile. Con tutta quella pratica di crossover in classe chem, questo può sembrare abbastanza facile. Ma per conoscere veramente lo stato fondamentale di una molecola, devi considerare più che bilanciare un'equazione di scheletro:

  • come ciascun elettrone in ciascun atomo interagirà con tutti i nuclei degli altri atomi
  • gli effetti quantistici che si verificano su scale così piccole

Questi parametri diventano esponenzialmente più difficili da gestire all'aumentare della dimensione della molecola.

I nostri cervelli e computer binari non possono pompare una configurazione ottimale in un tempo ragionevolmente utile.

C'è persino una parola per questo: tempo polinomiale. Poly-time è il tempo impiegato da un computer classico per risolvere un problema.

Usiamo l'idea di "essere in grado di calcolare un problema entro il poli-tempo", perché sì - i computer classici possono effettivamente simulare molecole - ci vorrà solo una atroce quantità di tempo per farlo.

Anche i supercomputer più potenti oggi (che sono abbastanza super) hanno difficoltà a simulare una molecola con tre o più elementi.

Tenere traccia della natura esponenziale e delle interazioni quantistiche di ogni nuovo elettrone nei legami di una molecola è estremamente laborioso per un computer classico (e gli attuali modellatori chimici).

Ma per un computer quantistico che si occupa di interazioni quantistiche? Sembra quasi ragionevole.

Quindi lì.

I computer classici non sono i grandi boi che sono stati pubblicizzati. E i computer quantistici sono fantastici.

Molte persone credono che l'ascesa di computer quantistici significherà che avrai un computer a 16 qubit seduto sulle tue ginocchia in circa un decennio o giù di lì. Questo è praticamente falso (f̵a̵k̵e̵ ̵n̵e̵w̵s̵) perché i computer classici sono fantastici ... in alcuni aspetti non sono così capaci. Alcuni aspetti importanti Aspetti che ci impediscono di creare cose interessanti. Come le molecole. E poi medicina personalizzata. E batterie ad alta efficienza energetica. E forse un'architettura efficiente.

Ottieni il punto.

A causa del modo in cui i computer convenzionali operano intrinsecamente, non possono calcolare determinate configurazioni. E grazie a questo articolo, ora sai perché.

Contrariamente a quanto credeva Bohr, in realtà è importante capire come si verifica qualcosa di inosservabile come il movimento degli elettroni.

Le molecole compongono il materiale che ci circonda e se vogliamo ottimizzare il modo in cui utilizziamo le nostre risorse ... non possiamo continuare a fare ciò che non ha funzionato, utilizzando i computer classici per simulare materiali per l'innovazione. Dobbiamo investire in efficienza.

So di non aver effettivamente spiegato come i Quantum Computers realizzeranno ciò, ma credetemi, sta arrivando. Non volevo annoiarvi con una spiegazione matematica per cui alcuni di voi potrebbero non essere qui.

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