Wie sich Quantencomputer neben einem klassischen Computer anfühlen

Warum wir Quantencomputer brauchen

Es ist nicht nur so, weil sie cool sind.

Hier ist die kurze Antwort:

  • Die Mathematik- und Naturwissenschaftsabteilung der Welt hat eine Wand vor sich, die als "wirklich schwierige Probleme" bezeichnet wird (denken Sie daran: Krebs heilen, energieeffiziente Batterien (oder alles, was energieeffizient ist) und Materialdesign).
  • Das menschliche Gehirn ist smol. Also haben wir Computer geschaffen, um die Dinge schneller zu berechnen. (Computer repräsentieren, wie Menschen denken, nur schneller.)
  • Selbst der leistungsstärkste Supercomputer verfügt nicht über genügend Rechenleistung, um die als "wirklich schwierige Probleme" bezeichnete Mauer zu durchbrechen.
  • Quantencomputer ‘denken’ / arbeiten anders. Sie können den Tag retten!

Hier ist die lange Antwort:

  • lesen Sie den Artikel

(einschließlich der Gründe, warum wir die zuvor erwähnte Mauer nicht abbauen können)

(Lesen Sie weiter.)

Einstein ist ein bisschen schlau.

Die Ikone der theoretischen Physik entwickelte die Relativitätstheorie (eine Säule der modernen Physik), schuf eine Waffe, die den größten Krieg aller Zeiten beenden sollte, und förderte die berühmteste Gleichung.

Es würde etwas Großes erfordern, um den Meister der Atome zu verblüffen.

Oder etwas ganz Kleines.

Wie ... kleiner als ein Atom.

Einstein war vielleicht der Meister der Atome, aber er war gründlich verwirrt, wenn es darum ging, Quantenteilchen (subatomare Teilchen) zu verstehen.

Zum Glück kann ich dabei helfen.

Die Physik, wie wir sie kennen und sehen, wird durch Newtonsche und Einsteinsche Gesetze definiert. Sie sind die beobachtbaren Merkmale, die die Atome um uns herum zu zeigen scheinen. Diese Gesetze stellen dar, wie wir die Welt physisch erleben, und wurden mit mathematischen Mitteln definiert, die für unseren menschlichen Verstand logisch sind.

Aber wenn wir Teilchen besuchen, die in einem Atom sitzen, stoßen wir auf Beobachtungen, die so seltsam sind, dass sie unserer natürlichen Intuition völlig widersprechen.

Diese subatomaren Teilchen spielen im Bereich der Quantenmechanik.

Einstein und Niels Bohr sorgten in den 1920er Jahren mit ihrem ständigen Streit um die Legitimität der Quantenmechanik für Schlagzeilen. Während Einstein glaubte, dass eine physische Realität unabhängig von unserer Fähigkeit zur Beobachtung existiert, glaubten Bohr und seine Anhänger, dass es keinen Sinn machte, über eine „ultimative Realität“ zu spekulieren, die jenseits unserer Wahrnehmung existiert - alles, was wir wissen können und sollten, sind die Ergebnisse von Beobachtungen und Messungen.

Moderne Wissenschaftler diskutieren längst nicht mehr über die Legitimität der Quantenmechanik, sondern nutzen Computer, um ihre Eigenschaften auszunutzen.

Während sie (hoffentlich) keine andere modische Linie von Todesmaschinen schaffen, haben Quantencomputer sogar Regierungen, die ziemlich interessiert aussehen. Entschuldigung, Bohr.

Das Verstehen der Quantenmechanik, die für Berechnungen verwendet werden soll, ist jedoch mehr für uns, als unseren neugierigen Verstand zu erregen (wie es für Einstein der Fall war).

Quantencomputer haben das Potenzial, Hindernisse für Innovationen in den Bereichen Mathematik, Medizin und Materialdesign zu überwinden.

Das Verständnis der Grundlagen der Quantenmechanik auf hohem Niveau ist nicht allzu schwer zu verstehen, und um wirklich zu verstehen, wie Quantencomputer Ihre Großmutter retten können, sollten Sie Folgendes lesen:

Schon wieder zurück? Was für eine pfiffige Hose. Lass uns anfangen.

Menschen lieben es, unsere kognitiven Fähigkeiten zu würdigen und rühmen sich ständig der technologisch fortgeschrittenen Welt, in der wir leben. Jede Technologie ist schneller und kleiner als je zuvor und hat uns geholfen, einen höheren Lebensstandard zu erreichen, den wir uns nicht vorstellen konnten sogar vor 25 Jahren.

Das sind alles Regenbogen und Einhörner, bis wir feststellen, dass es so viele Probleme gibt, die Wissenschaftler mit diesem Rinnsal in unserem Alltag zu kämpfen haben. Sie wurden noch nicht gelöst. Wir können einfach keine Computer weiterentwickeln, die schneller oder kleiner sind, um sie zu lösen.

Warten. Aber warum?

Warum können wir uns nicht noch ein paar Jahre lang mit Wissenschaftlern und Nerds anlegen und warten, bis Dinge wie personalisierte Medizin zu uns kommen?

Ja sicher, vielleicht klappt das - außer es klappt nicht.

Es gibt zwei Hauptprobleme:

  1. Wie Computer funktionieren
  2. Computer sind wirklich klein

Bits auf Bits auf Bits

Herkömmliche Computer können jeweils nur eine Aufgabe ausführen.

Grundsätzlich empfangen und verarbeiten digitale Computer Informationen nur linear und geordnet - über Bits, die nur Nullen und Einsen lesen. (Wie Sie jetzt vielleicht durch meinen Artikel wissen).

Wenn ein Problem auftritt, bei dem unsere Computer viele Parameter und Situationen berücksichtigen müssen, kann dies nicht effizient durchgeführt werden. Um zu einem Ergebnis zu kommen, muss ein digitaler Computer jede einzelne Möglichkeit durcharbeiten, bevor er zu einer Schlussfolgerung kommt.

Deshalb,

Je komplexer das Problem, desto länger dauert die Lösung…

Der Prozess der Verwendung klassischer Bits zur Berücksichtigung mehrerer Konfigurationen kann sogar den größten Supercomputer der Welt in Anspruch nehmen - und wenn wir versuchen, auch in jungen Erwachsenenjahren Innovationen zu entwickeln, muss sich etwas ändern.

Grund numéro deux:

Unsere Technologie lässt uns nicht zu.

Wir sind an einem Punkt in unserem Leben, an dem Moores Gesetz nicht mehr relevant ist.

Hmm ... Transistoren ... klingt wichtig.

Wir können verstehen, wie klassische Computer ihre Rechengrenze erreicht haben, indem wir Transistoren verstehen.

Computer sind im Grunde genommen eine (sehr komplexe) elektronische Schaltung, die aus Verbindungskabeln und einer Reihe von Schaltern besteht, die ein- und ausgeschaltet werden können. Diese Schalter werden elektronisch gesteuert (duh, so genannte elektronische Schaltung) und als Transistoren bezeichnet.

Durch das Platzieren von Transistoren in einem Stromkreis stoppen und starten wir den Stromfluss.

Sie können auch sagen, dass Transistoren eine Bedingung an den Schaltkreis stellen und entscheiden, ob der elektrische Strom fließen kann oder nicht.

Ihre Schaltung kann nun den Stromfluss basierend auf diesen Bedingungen bestimmen.

Also im Grunde genommen,

mehr Transistoren = mehr Bedingungen = mehr Gates = kompliziertere Berechnungen

Verstanden? Nett.

Wenn Sie eine Reihe von Toren auf einer Rennstrecke anhäufen und im Grunde genommen Ihren Laptop haben, lesen Sie wahrscheinlich diesen Artikel.

Die Zeit (und eine Menge Nerds) ermöglichte es uns, neue Herstellungstechniken zu finden, um immer kleinere Transistoren herzustellen - und diese auf kleineren Räumen (wie Leiterplatten) anzubringen.

Je kleiner die Transistoren wurden, desto kleiner wurde der Platzbedarf, sodass wir sie als „Chips“ bezeichneten.

Unternehmen wie Intel stellen Transistoren mit einem Durchmesser von nur 14 Nanometern in Serie her. Das ist nur 14-mal breiter als Ihre DNA-Moleküle. Das ist verrückt.

Wir haben Transistoren so klein gemacht, dass wir jetzt 4,3 Milliarden davon auf einen Chip von der Größe eines Pennys bringen können (wenn es diese Dinge überhaupt noch gibt).

Mit diesen vielen Transistoren haben wir eine Menge logischer Gatter geschaffen, die sich als Sklaven entziehen, um hochkomplexe Berechnungen für uns durchzuführen. Manchmal verwenden wir diese hochkomplexe Rechenleistung aus weniger komplexen oder intellektuellen Gründen - wie zum Beispiel zum Scrollen durch Reddit.

Sowieso.

Transistoren bestehen aus Silizium.

Die Atomgröße von Silizium beträgt etwa 0,2 Nanometer, wodurch unsere Transistoren etwa 70 Siliziumatome breit sind. Das macht es möglich, sie noch kleiner zu machen - kleiner als je zuvor.

In einem so kleinen Maßstab beginnen wir mit einigen Abnormalitäten umzugehen. Teilchen verhalten sich wie Elektronen nach den Gesetzen der Quantenphysik (yay für Sie! Sie wissen, was dies bedeutet!).

Daher hängen die Grenzen der Rechenleistung ziemlich direkt mit der Grenze zusammen, wie klein wir unsere Transistoren herstellen können.

Daher können unsere aktuellen Computer die von uns gewünschten Probleme nicht lösen, und wir können Computer nicht leistungsfähiger oder komplexer machen.

Also, was zur Hölle?

Hier ist die Hölle:

Wissenschaftler bauen Computer, die die Eigenschaften der Quantenphysik für Berechnungen nutzen. Dies bedeutet, dass unser Berechnungsprozess eher auf einer exponentiellen als auf einer linearen Ebene ablaufen kann.

Wofür gibt es Quantencomputer?

Quantencomputer spielen mit Partikeln im Quantenreich…

Macht Sinn.

Da Quantencomputer Zustände gleichzeitig simulieren können, können mehrere Konfigurationen gleichzeitig berücksichtigt und eine außergewöhnliche Menge an Informationen verarbeitet werden.

Tatsächlich kann es exponentiell mehr Informationen speichern als ein klassisches Bit.

Die "exponentielle" Kraft liegt in der Fähigkeit eines Quantencomputers, die Zustände zu verdoppeln, die das System gleichzeitig speichern kann - wenn Sie ein einzelnes Qubit hinzufügen.

Zwei Qubits können vier Zustände speichern, drei Qubits können acht Zustände speichern, vier Qubits können 16 Zustände speichern ... Sie haben die Idee.

In einer Situation, in der Sie 50 verschränkte Qubits benötigen, um Quantenzustände zu modellieren, müssen Sie 1,125 Billiarden klassische Bits codieren, um dieselbe Informationsmenge zu speichern.

Warum interessiert mich das?

In diesem Artikel habe ich dieses wirklich chaotische Ding namens "Wirklich vage sein" gemacht und keine Probleme definiert, die klassische Computer nicht lösen können (und Quantencomputer können).

Ich denke, es ist Zeit, dies zu beheben.

Stellen Sie sich eine reale Situation vor: Molekulare Simulation.

OK OK. Bleib hier bei mir. Ich weiß, das scheint etwas zu sein, womit sich nur Forscher und Schulbücher befassen müssen.

Das lässt viel Raum für Anwendungen der molekularen Simulation.

Nehmen wir ein Problem, das alle Menschen auf diesem Planeten betrifft (Wortspiel beabsichtigt): Medizin.

Ab sofort dauert es mindestens 12 Jahre, bis ein Medikament aus dem Labor in Ihren Medikamentenschrank gelangt. (Wenn es überhaupt so weit kommt.)

Das ist eine Lebensspanne für einige und ein Luxus für andere, die keine 12 Jahre auf ein Medikament warten müssen, das möglicherweise nicht einmal ihre Gesundheit wiederherstellt.

12 Jahre und mindestens 648 Millionen US-Dollar (bis 2,7 Milliarden US-Dollar) für die geringe Wahrscheinlichkeit, dass Sie von einer Krankheit geheilt werden können, die Sie wahrscheinlich nicht möchten.

Die geringe Chance könnte sich für Sie lohnen, aber ich bin daran interessiert, diese Chancenlücke zu schließen.

Modelle von Chemikalien

Die Art und Weise, wie wir heute versuchen, lebensrettende Medikamente herzustellen, ist die Verwendung von chemischen Modellierern.

Diese Modelle für Chemikalien versuchen kontinuierlich, Verbindungen zu erzeugen, indem sie gezwungen werden, das Verhalten eines unbekannten Moleküls abzuschätzen und es dann in der realen Welt zu testen, um festzustellen, ob es wie erwartet funktioniert.

Dieses ständige Hin und Her ist sowohl zeitaufwändig als auch ressourcenintensiv (Hallo, 12 Jahre und ein paar Millionen Dollar).

Es funktioniert auch nicht wirklich.

Bei der molekularen Simulation geht es darum, den Grundzustand einer Verbindung zu finden - ihre stabilste Konfiguration. Bei all dem Crossover-Training im Chemieunterricht kann das recht einfach klingen. Aber um den Grundzustand eines Moleküls wirklich zu kennen, muss man mehr als nur eine Skelettgleichung ausbalancieren:

  • wie jedes Elektron in jedem Atom mit allen Kernen der anderen Atome interagiert
  • die Quanteneffekte, die auf so kleinen Skalen auftreten

Mit zunehmender Molekülgröße wird es exponentiell schwieriger, mit diesen Parametern umzugehen.

Unsere binären Gehirne und Computer können nicht in angemessener Zeit eine optimale Konfiguration herauspumpen.

Es gibt sogar ein Wort dafür: Polynomzeit. Poly-Zeit ist die Zeit, die ein klassischer Computer benötigt, um ein Problem zu lösen.

Wir verwenden die Idee, in der Lage zu sein, ein Problem innerhalb von Poly-Time zu berechnen, weil ja - klassische Computer können tatsächlich Moleküle simulieren - dies nur eine grausame Zeit in Anspruch nimmt.

Sogar die leistungsstärksten Supercomputer von heute (die ziemlich super sind) haben sehr schnell Schwierigkeiten, ein Molekül mit drei oder mehr Elementen zu simulieren.

Das Verfolgen der exponentiellen Natur und der Quantenwechselwirkungen jedes neuen Elektrons in den Bindungen eines Moleküls ist für einen klassischen Computer (und aktuelle chemische Modellierer) äußerst arbeitsintensiv.

Aber für einen Quantencomputer, der sich mit Quanteninteraktionen beschäftigt? Hört sich einfach nur vernünftig an.

Also da.

Klassische Computer sind nicht die Big Bois, für die sie sich begeistern. Und Quantencomputer sind cool.

Viele Menschen gehen davon aus, dass der Aufstieg der Quantencomputer in etwa einem Jahrzehnt einen 16-Qubit-Computer auf Ihrem Schoß haben wird. Das ist ziemlich falsch, weil klassische Computer großartig sind ... sie sind in einigen Aspekten einfach nicht so fähig. Einige wichtige Aspekte. Aspekte, die uns davon abhalten, coole Dinge zu machen. Wie Moleküle. Und dann personalisierte Medizin. Und energieeffiziente Batterien. Und vielleicht eine effiziente Architektur.

Du verstehst den Punkt.

Aufgrund der Funktionsweise herkömmlicher Computer können sie bestimmte Konfigurationen nicht berechnen. Und aufgrund dieses Artikels wissen Sie jetzt warum.

Im Gegensatz zu dem, was Herr Bohr glaubte, ist es tatsächlich wichtig zu verstehen, wie etwas so Unbeobachtbares wie Elektronenbewegung auftritt.

Moleküle machen das Material um uns herum aus und wenn wir den Umgang mit unseren Ressourcen optimieren möchten, können wir nicht weitermachen, was bisher nicht funktioniert hat - mit klassischen Computern, um Materialien für Innovationen zu simulieren. Wir müssen in Effizienz investieren.

Ich weiß, dass ich noch nicht genau erklärt habe, wie Quantum Computers dies tun wird - aber vertrauen Sie mir, das kommt. Ich wollte euch nur nicht mit einer mathematischen Erklärung langweilen, für die einige von euch vielleicht nicht hier sind.

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