Koleksiyonlar

Kuantum Algoritmaları ve Klasik Sonrası Hesaplamanın Geleceği

Kuantum Algoritmaları ve Klasik Sonrası Hesaplamanın Geleceği


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Bu, dünyamızı güçlendirmek için basit ikili sayıları nasıl kullandığımızı araştıran, Algoritmalar ve Hesaplama üzerine yedi bölümlük bir dizinin son makalesidir. İlk makale, Algoritmalar Yaşadığımız Dünyayı Nasıl Yönetir?, burada bulunabilir.

Bin yıllık bir ihtiyar olarak, 1990'ların ortalarında tekerlek posta kutularımızda görünmeye başladığından beri en önemli insan icadı olarak yaşlandım: gibi hizmetler için ücretsiz denemeler sunan yazılım CD'leri Amerika Çevrimiçi, Compuserve, ve Dahi. Bu devrim niteliğindeki dijital alana attığımız ilk keşif adımları, internetten önceki hayatı açıkça hatırlayacak kadar büyüdüğümüzde, ancak yine de teknolojiyi ebeveynlerimizin yapamadığı yollarla kucaklayacak kadar gençken geldi.

Bin dolarlık kredi kartı faturalarını sohbet odalarında, mesaj panolarında, anlık mesajlaşmada ve diğer ilkel internet içeriklerinde seve seve harcadık - bu doğru çocuklar, o zamanlar İnternet için ödeme yapmak zorundaydık saat başı--ama bu anne ve babamın sorunuydu, katılmak için medeniyeti değiştiren bütün bir geçiş yaşadık. Küresel ölçekte dönüşümsel ilerlemeyi başarmak normalde zaman alır, hatta nesiller sürer ama biz bunu daha kısa sürede başardık. on yıl ve bir on yıl daha bilgisayar ve İnternet bağlantısıyla mümkün olanın sınırlarını zorlayarak geçirdik ve ne yazık ki bu sınırlara oldukça hızlı bir şekilde girmeye başladık.

Klasik Bilgisayarın Yükselişi ve Düşüşü

Tüm niyet ve amaçlar için İnternet, klasik bilgi işlemin en büyük güçtür. Birbirine bağlı, milyarlarca bilgisayar Her şekil ve boyutta, bildiğimiz kadarıyla evrende benzersiz bir yaşam tarzı üretmek için algoritmalar, radyo sinyalleri ve fiber optik kablo aracılığıyla işbirliği yapıyor. Daha da inanılmaz olanı, klasik hesaplamanın bunu iki kuşaktan daha az insanda başardığıdır, bu tarihsel emsali olmayan bir teknolojik ilerleme oranıdır.

İLGİLİ: KUANTUM HESAPLAMA DEĞİŞİMİ TAM OLARAK NE OLACAK?

İçin 40 yılMoore Yasası, savaş sonrası dönemin eşi görülmemiş insan ilerlemesine öncülük etti, ancak bir silikon bilgisayar çipi fiziksel bir malzemedir, bu nedenle fizik, kimya ve mühendislik yasalarına tabidir. Transistörü, entegre bir devre üzerindeki nanoskopik ölçekte küçülttükten sonra, transistörler küçülmeye devam edemez her iki yılda bir. İle milyarlarca elektronik bileşen katı, kare bir silikon gofret içine kazınmış 2 inç genişliğinde, tek tek transistörleri oluşturan atomların sayısını sayabilirsiniz.

Intel'in işlemcilerindeki göze çarpan güvenlik açıklarıyla ilgili son sorunları, mühendislerin, entegre devrenin kendisini fiziksel olarak iyileştirmek artık mümkün olmadığında işlemci performansını ve hızını artırmak için yaratıcı yollar bulmaya çalışmak zorunda kalmalarının doğrudan bir sonucudur. Transistörler küçüldükçe 7 nanometre Uzun, mühendisler bizi transistörlerin çalışan bir bileşen oluşturmak için mümkün olan en az sayıda atomu kullandığı noktaya getirdiler. Transistörün daha küçük ve yapısal bütünlüğü hızlı bir şekilde bozulur ve bilgisayarları bu kadar güçlü kılan bilgiyi ileten elektrik akımını tutma ve yönlendirme yeteneklerini kaybeder.

Bilgisayarlar, işlemlerine güç veren elektrik akımının değiştirilmesi ve manipülasyonu söz konusu olduğunda hiç bu kadar hızlı ve çevik olmamıştı, ancak elektronların içinden geçtiği ortam tarafından belirlenen hızdan farklı bir hızda hareket etmesini sağlayamazsınız. . Elektron akışını "hızlandırmanın" tek yolu, mantık kapıları arasında kat etmesi gereken mesafeyi azaltmaktır, böylece işlemler, öncekine göre saniyenin birkaç trilyonda biri daha hızlı sonuçlar üretir. 40 yıl.

Modern bilgisayar işlemcileri inkar edilemez derecede hızlı, ancak maalesef yeterince hızlı değil. İnanılmaz gücüne rağmen, klasik bilgisayar, optimizasyon ve protein katlanması gibi zorlu ancak kritik öneme sahip problemlerin matematiksel gerçeklikleri tarafından etkili bir şekilde yenildi. Klasik bilgisayar işleminin sıralı doğası, kendi başlarına, bir bilgisayarın büyüme oranını asla geçemeyecekleri anlamına gelir. O (2n) veya O (n!) sorun.

Geçtiğimiz yarım yüzyılda keyif aldığımız inanılmaz teknolojik yolculuğun sona erdiğini kimse kabul etmek istemez, ancak bu büyüme hızı etrafında bir kısayol sağlayabilecek algoritmalar bulunmadıkça, klasik bilgisayarın ötesine bakmalıyız. mevcut teknolojik ilerleme hızımızı koruyacaksak.

Klasik Sonrası Hesaplamayla İlgili Hype Ütopik, Ama Şaşırtıcı Bir Şekilde Haklı

Kuantum hesaplama, kendim de dahil olmak üzere birçok insanın geçmişte yanlış anladığı bir konudur ve bir kuantum bilgisayarın bizi içinde sıkıştığımız hesaplama çıkmazından kurtarma yeteneğine çok fazla güvenmemeye karşı uyaranlar var.

Teknoloji henüz başlangıç ​​aşamasında ve Apple II ev bilgisayarının kuantum bilgisayar eşdeğerini göreceğimizden şüphe etmek için pek çok neden var. Sadece ustalaşman gereken qubitler değil; ayrıca oda sıcaklığında süperiletkenlik yeteneğine sahip bir malzeme keşfetmeniz ve çalışması için mutlak sıfıra yakın tutulması gereken kübitler için bir iç ortamı nasıl koruyacağınızı anlamanız gerekir.

Ayrıca, bir bilgisayarın yapması gereken işin büyük çoğunluğu, bir kuantum bilgisayarda klasik bilgisayardan daha hızlı yapılmayacaktır. Sıralı işlemler, kuantum bilgisayarların tasarlandığı türden bir şey değildir, kuantum bilgisayarların tam olarak gelmesinden çok sonra, klasik bilgisayarları öngörülebilir gelecekte kullanmaya devam edeceğiz, kuantum bilgisayarlar ise büyük olasılıkla kurumsal ve ulusal laboratuvarlarda işleme hizmetleri ile birlikte kalacaktır. algoritmaya göre bir algoritma üzerinde bulut bilişim.

Süperpozisyonda kübit oluşturmak ve sürdürmek için gereken tüm çalışmalar için, kuantum bilgisayarlar şu anda pek bir şey yapmıyorlar ve bu muhtemelen en azından bir süre daha uzun süre kalacak. Kuantum bilgisayarların bir sürü şapka olduğunu ve hiç sığır olmadığını düşündüğünüz için affedilirsiniz, ancak bu aynı zamanda teknolojinin durumunun ciddi bir yanlış nitelendirilmesi ve neyin önemi üzerinde parıltı olur. bunu zaten biliyoruz şimdi ufukta geliyor.

Matematiksel sistemlerin güçlü yönlerinden biri, mantıkla kanıtlanabilir olmalarıdır. Mantıksal olarak bir şeyin doğru olduğunu ispatlayabilirsek, bu gerçek asla değişmeyecektir. Bu, bize dört buçuk milyar mil uzaktan neredeyse kesin bir hassasiyetle pilotluk edilebilen roketler ve uzay aracı inşa etme konusunda güven veren türden bir şey ve bu yüzden kuantum hesaplamanın sadece dönüştürücü olmayacağını söyleyebiliriz. size tam olarak nedenini söyleyebiliriz.

Peter Shor'un ilk kuantum algoritmasını yayınlamasından bu yana geçen 25 yıl içinde - tamsayıların birincil çarpanlara ayrılmasının polinom zamanda kuantum bilgisayarlarda yapılabileceğini gösterdi - matematikçiler ve bilgisayar bilimcileri, klasik bilgisayarların çözmek için uğraştığı problemleri ele alan başka kuantum algoritmaları geliştirdiler. . Bu düzinelerce kuantum algoritmasından birçoğu bildiğimiz en verimli klasik algoritmadan daha hızlı ve yalnızca içinde çalıştıkları benzersiz kuantum ortamı nedeniyle mümkün.

Kuantum hesaplama alanındaki en önemli çalışmalardan bazıları, lazer teknolojisinden tıbba kadar her şeyde açılan farklı kuantum sistemlerini simüle eden algoritmalar oluşturmak olmuştur. Bu algoritmalar, benzer klasik hesaplama simülasyonlarından geniş bir farkla daha iyi performans gösterebilecek. Şu anda, moleküler simülasyonu gerçekleştiren klasik algoritmalar, simüle edebileceği molekül türleri bakımından sınırlıdır. Bu algoritmalar genellikle 70'ten daha az spin-orbitali olan moleküllerle sınırlıdır, bundan daha fazlası ve simülasyonun karmaşıklığı o kadar hızlı büyür ki inatçı hale gelir.

Bu arada, tek bir kübit, bu yörüngelerden birini yeterince verimli bir şekilde temsil edebilir, böylece yalnızca 100 kubite sahip bir kuantum bilgisayar 1152 kubite sahiptir, ancak genel bir amaç olarak değil, uzaysal bir algoritma çalıştırmak için inşa edilmiştir. kuantum bilgisayar - klasik bilgisayarların simülasyon yeteneğine bile yakın olmadığı ve muhtemelen asla yapamayacağı moleküler simülasyonlara izin verir. Bu simülasyonlar, herhangi bir sayıda hastalık için yeni tedaviler sağlayabilen önceden bilinmeyen her tür bileşiği potansiyel olarak ortaya çıkarabilir.

Derinlemesine aramalardan ve kuantum bir grafiğin üzerinden geçerek doğrusal denklem sistemlerini çözmeye, diferansiyel denklemlere ve hatta adyabatik optimizasyon gibi belirli optimizasyon problemleri sınıflarında ilerleme kaydetmeye kadar her şey için kuantum algoritmaları vardır. Bununla birlikte, bu algoritmalarda eksik olan şey, çalıştırmak için yeterli kübite sahip yeterince güçlü bir kuantum bilgisayardır.

Ancak bu sonsuza kadar böyle olmayacak ve bu algoritmaları raftan alıp çalıştırma zamanı geldiğinde, iş, yönetim, tıp alanındaki en sinir bozucu şekilde aşılmaz, katlanarak ve faktöriyel olarak karmaşık sorunlardan bazıları, mühendislik ve daha fazlası süper polinom zamanında veya daha hızlı çözülecektir. Bu kazançlar gerçek bir anlaşmadır ve çalışma mantıkları ile garantilidirler; tek soru, bu bilgisayarların ulaşmasının ne kadar süreceği.

Bilgisayarı Klasik Sonrası Çağ için Yeniden Tanımlamak

Klasik bilgisayarların ileriye dönük karşılaştığı sorun, bilgisayarların elektronik doğasına özgüdür. Basit elektronik devrelerden gelişen bilgisayarlar, problemleri çözmek için çok özel bir hesaplama metodolojisi kullanır ve bu nedenle, elektroniklerin bir yüzyıldan fazla süredir kullandığı sıralı ikili sayı hesaplama modeline kalıcı olarak kilitlenir. Bu modelin teknolojimizdeki baskın yeri, hesaplamaları gerçekleştirmenin tek yolu olduğu anlamına gelmez.

Elektronların dönüşünü ve bu dönüşün ürettiği manyetik özellikleri kullanan Spintronics, mevcut ferromanyetik veri depolama teknolojisine dayanan tüm sabit diskleri silebilen türden, harici manyetik parazitlere karşı geçirimsizliği nedeniyle bir depolama mekanizması olarak en umut verici olanı gösteriyor. .

Elektronların manyetik nitelikleri aynı zamanda, Moore Yasasını en azından bir süreliğine hayata döndürebilecek spintronik, yarı iletken bir transistörün yapılabileceğini gösteriyor. Atomlar küçük olabilir ama hemen hemen hepsi çekirdektir. Bu arada çekirdeğin yörüngesinde dönen elektronlar, bir atomun kendisinden daha küçük büyüklüklerdedir, bu nedenle mevcut silikon yongalara binlerce kat daha fazla spintronik transistör paketlemek mümkün olmalı ve klasik bilgisayarlara tüm fizik yasasını aşma fırsatı vermelidir. kimya problemi.

Silikon çiplere olan saplantımızdan uzaklaştığımızda, inanılmaz miktarda potansiyele sahip başka bir önemli hesaplama araştırması alanı var. DNA hesaplama ilk bakışta kafa karıştırıcı ve muhtemelen biraz tuhaf görünebilir, ancak düşünürseniz, post-klasik bilgisayar araştırma ve geliştirme için açık bir adaydır.

DNA'nın ilk zincirleri, tek hücreli organizmaların yaratılması ve çalıştırılması için talimatları kodladığından beri, verilerin aktarımı ve depolanması için güçlü bir mekanizma haline geldi, ancak araştırmacılar şimdi DNA'nın kendisinin bireysel yapı taşlarını daha derine iniyorlar. ve kendi başına bir hesaplama mekanizması olarak potansiyeldir.

Araştırmalar, DNA'nın yapı taşları olarak görev yapan dört farklı amino asidin - A, T, C ve G - kodlanabilir bitler olarak işlev görecek şekilde yeniden tasarlanabileceğini göstermiştir [PDF]. Karıştırıldıklarında, bu amino asitler doğal olarak kendi kendilerine DNA zincirleri halinde birleşirler ve sadece herhangi bir DNA değil, mevcut materyallerle mümkün olan tüm farklı DNA permütasyonları.

Bu, potansiyel olarak oyunun kurallarını değiştiren bir yeniliktir, çünkü kübitlerin üst üste binmesi üzerinde işlem yapmak gerçek paralel hesaplamayla aynı şey değildir. Kuantum bilgisayarlar size yalnızca tek bir çıktı, bir değer veya sonuçta ortaya çıkan bir kuantum durumu vereceklerdir, bu nedenle bunların üstel veya faktöryel zaman karmaşıklığı ile problem çözme yardımcı programı tamamen kullanılan algoritmaya bağlı olacaktır.

Bununla birlikte, DNA hesaplama, bu amino asitlerin kendilerini uzun DNA zincirleri halinde inşa etme ve birleştirme yeteneğini kullanır. Bu amino asitleri karıştırın ve doğal olarak daha uzun ve daha karmaşık hale gelecektir. permütasyonlar setin amino asitler. Diziyi takip ediyorsan, bu sözler sana sıçramalıydı. Permütasyon, faktöryel zaman karmaşıklığı olan bir süreçtir ve NP-tam bir problemi çözeceksek üstesinden gelinmesi gereken temel zorluktur. Permütasyonlar tamamen optimizasyonve bir kuantum bilgisayarın bile bulacağından optimizasyon çözme gücünün ötesinde.

DNA hesaplamayı böylesine heyecan verici yeni bir gelişme yapan da budur. Seyahat eden satıcı problemindeki bir şehrin adını, amino asitlerin bir kombinasyonu olarak kodlarsak ve tüm bu amino asitleri bir beherin içine atarsak, DNA ipliklerine kendi kendine birleşmeye başladıklarında, seyahat eden satıcı problemine doğru çözüm olacaktır. bu süreçten organik olarak büyür.

Bir dakikadan daha kısa bir süre içinde, seyahat eden satıcı sorununun çözümü, bir DNA dizisi biçiminde o beherde oturmak olacak ve zorluk, biz bu optimal çözümü izole edene kadar yanlış yanıtları filtrelemenin bir yolunu bulmak haline geliyor. En uygun olanı bulmak için sayısız yanlış DNA zincirini filtrelemek, sorgusuz sualsiz küçük bir iş değildir, ama aynı zamanda değil bir problem permütasyon olası her DNA ipliği. Shor'un algoritmasında gördüğümüz gibi, bazen çözülemeyen bir sorunun çözümünü bulmanın anahtarı, onu çözmesi daha kolay eşdeğer bir probleme dönüştürmektir.

Bu, hesaplama açısından hala yapılması zor bir şey olsa da, satıcımızın kullanması için en iyi yolu bulmak için permütasyonları kaba zorlamaktan ve sonsözden sonra onları doğrulamaktan çok daha kolaydır. DNA hesaplamayla ilgili devam eden araştırmalar, zamanla gerçek etkinliğini ortaya çıkaracak, ancak kendi kendine birleşen DNA zincirleri, kuantum hesaplamanın bile iddia edemeyeceği bir şey olan gerçek paralel hesaplama vaadini sunuyor.

Teknolojik Bir Olay Ufkuna Hızla Yaklaşıyoruz

Bunlardan herhangi birini görmeden önce, insanlığın kendisini binlerce yıl iyileşmesi gereken yeni bir karanlık çağa doğru bombalaması tamamen mümkündür.

İlerleme garanti edilmezken, değişimin her zaman geçerli olduğunu ve bu yeni karanlık çağın temsil edeceği türden teknolojik ve bilimsel geri çekilmenin, geçişten gelebilecek değişimin ölçeğini yakalayan yapabileceğim tek karşılaştırma olduğunu hatırlamak önemlidir. post-klasik dönem.

İnsanlık gerçekten teknolojik bir olay ufkundan başka hiçbir şeye yaklaşmıyor. Klasik-post-klasik ayrımının diğer tarafında bir şey var, muhtemelen buradan göründüğünden çok daha büyük olacak ve içinden geçtikten sonra bulacağımız şeyle ilgili herhangi bir öngörü, başkalarınınki kadar iyi. .

Spesifik ilerlemeler hakkında spekülasyon yapmak eğlenceli olsa da, sonuçta herhangi bir ilerlemeden çok daha önemli olan şey, birlikte çalışan bu farklı ilerlemelerin ürettiği sinerjiler olacaktır. Sinerji, parçalarının toplamından daha büyüktür, ancak parçalarınız blok zinciri, 5G ağları, kuantum bilgisayarlar ve gelişmiş yapay zeka olduğunda bu ne anlama geliyor?

Sonunda ne olursa olsun, bildiğimiz şekliyle hesaplamayı yeniden tanımlayacak ve bu çeşitli modelleri bütünleştirerek yaratacağımız yeni sistemlerin sonuçları o kadar büyük olacak ki kesin olarak bildiğim tek şey post-post'a geçişimiz olacak. Klasik dünyanın tek yönlü bir yolculuk olması garantidir.


Videoyu izle: Kuantum Bilişim Konuşalım. Data Science Earth. MindFusion Kariyer Günleri (Mayıs Ayı 2022).