Collezioni

Algoritmi quantistici e il futuro dell'informatica post-classica

Algoritmi quantistici e il futuro dell'informatica post-classica


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.

Questo è l'ultimo articolo di una serie in sette parti su algoritmi e calcolo, che esplora come utilizziamo semplici numeri binari per alimentare il nostro mondo. Il primo articolo, Come gli algoritmi gestiscono il mondo in cui viviamo, può essere trovato qui.

Da millenario, sono diventato maggiorenne come l'invenzione umana più importante da quando la ruota ha iniziato a comparire nelle nostre cassette postali a metà degli anni '90: CD software che offrono prove gratuite per servizi come America Online, Compuserve, e Prodigio. Quei primi passi esplorativi in ​​questo rivoluzionario spazio digitale sono arrivati ​​quando eravamo abbastanza grandi da ricordare chiaramente la vita prima di Internet, ma ancora abbastanza giovani da abbracciare la tecnologia in modi che i nostri genitori non potevano.

Facevamo volentieri fatture di carte di credito da mille dollari in chat room, bacheche, messaggistica istantanea e altri contenuti Internet primordiali: è vero ragazzi, allora dovevamo pagare per Internet di ora in ora--ma quello era il problema di mamma e papà, abbiamo avuto un'intera transizione che altera la civiltà a cui partecipare. Il progresso della trasformazione su scala globale normalmente richiede tempo, anche generazioni, per essere raggiunto, ma ci siamo riusciti in meno di una decade e abbiamo trascorso un altro decennio a superare i limiti di ciò che era possibile con un computer e una connessione Internet e, sfortunatamente, abbiamo iniziato a correre in quei limiti abbastanza rapidamente.

L'ascesa e il declino del computer classico

A tutti gli effetti, Internet è il tour de force dell'informatica classica. In rete insieme, miliardi di computer di ogni forma e dimensione collaborano attraverso algoritmi, segnali radio e cavi in ​​fibra ottica per produrre uno stile di vita che per quanto ne sappiamo è unico nell'universo. Ancora più incredibile è che l'informatica classica abbia ottenuto questo risultato in meno di due generazioni di esseri umani, un tasso di progresso tecnologico senza precedenti storici.

CORRELATO: COSA CAMBIA ESATTAMENTE IL CALCOLO QUANTISTICO?

Per 40 anniLa legge di Moore ha guidato il progresso umano senza precedenti dell'era del dopoguerra, ma un chip per computer in silicio è un materiale fisico, quindi è governato dalle leggi della fisica, della chimica e dell'ingegneria. Dopo aver minimizzato il transistor su un circuito integrato su scala nanoscopica, i transistor non possono continuare a rimpicciolirsi ogni due anni. Con miliardi di componenti elettronici inciso in un solido wafer quadrato di silicio non più di 2 pollici di larghezza, potresti contare il numero di atomi che compongono i singoli transistor.

I recenti problemi di Intel con evidenti vulnerabilità di sicurezza nei loro processori sono il risultato diretto degli ingegneri che devono cercare di trovare modi creativi per migliorare le prestazioni e la velocità del processore quando non è più possibile migliorare fisicamente il circuito integrato stesso. Poiché i transistor si sono ridotti a soli 7 nanometri a lungo, gli ingegneri ci hanno portato al punto in cui i transistor utilizzano il minor numero di atomi possibile per costruire un componente funzionante. Qualsiasi più piccolo, e l'integrità strutturale del transistor si deteriorerebbe rapidamente e perderebbe la capacità di contenere e dirigere la corrente elettrica che trasmette le informazioni che rendono i computer così potenti.

I computer non sono mai stati più veloci o più agili quando si tratta di commutazione e manipolazione della corrente elettrica che alimenta le sue operazioni, ma non è possibile far muovere gli elettroni a una velocità diversa da quella determinata dal mezzo attraverso cui sta viaggiando . L'unico modo per "accelerare" il flusso di elettroni è ridurre la distanza che deve percorrere tra le porte logiche in modo che le operazioni producano risultati di qualche trilionesimo di secondo più veloci di prima, che è ciò per cui abbiamo fatto 40 anni.

I moderni processori per computer sono innegabilmente veloci, ma sfortunatamente non sono abbastanza veloci. Nonostante la sua incredibile potenza, il computer classico è stato efficacemente sconfitto dalle realtà matematiche di problemi intrattabili ma di fondamentale importanza come l'ottimizzazione e il ripiegamento delle proteine. La natura sequenziale del funzionamento classico del computer significa che, da soli, non saranno mai in grado di superare il tasso di crescita di un O (2n) o Sopra!) problema.

Nessuno vuole accettare che l'incredibile corsa tecnologica di cui abbiamo goduto nell'ultimo mezzo secolo stia volgendo al termine, ma a meno che non si trovino algoritmi in grado di fornire una scorciatoia a questo tasso di crescita, dobbiamo guardare oltre il computer classico se vogliamo mantenere il nostro attuale ritmo di progresso tecnologico.

Il clamore intorno al computer post-classico suona utopico, ma sorprendentemente giustificato

L'informatica quantistica è un argomento in cui molte persone, me compreso, hanno sbagliato in passato e ci sono quelli che mettono in guardia dal riporre troppa fiducia nella capacità di un computer quantistico di liberarci dal vicolo cieco computazionale in cui siamo bloccati.

La tecnologia è agli inizi e ci sono molti motivi per dubitare che vedremo mai l'equivalente del computer quantistico del computer di casa Apple II. Non sono solo i qubit che devi padroneggiare; Dovresti anche scoprire un materiale capace di superconduttività a temperatura ambiente e capire come manterresti un ambiente interno per i qubit che deve essere mantenuto il più vicino possibile allo zero assoluto per funzionare.

Inoltre, la stragrande maggioranza del lavoro che un computer deve fare non verrà eseguita più velocemente su un computer quantistico che su uno classico. Le operazioni sequenziali non sono il tipo di cose per cui sono progettati i computer quantistici, così molto tempo dopo l'arrivo completo dei computer quantistici, utilizzeremo ancora i computer classici per il prossimo futuro mentre i computer quantistici rimarranno probabilmente nei laboratori aziendali e nazionali con servizi di elaborazione forniti attraverso cloud computing su un algoritmo basato su algoritmo.

Nonostante tutto il lavoro necessario per creare e mantenere i qubit in sovrapposizione, i computer quantistici in realtà non fanno molto di nulla al momento e probabilmente rimarrà così almeno per un po 'di tempo. Saresti perdonato se pensi che i computer quantistici siano un sacco di cappello e niente bestiame, ma sarebbe anche un grave errore di caratterizzazione dello stato della tecnologia e sorvolerebbe sul significato di ciò che lo sappiamo già sta arrivando proprio ora all'orizzonte.

Uno dei punti di forza dei sistemi matematici è la loro dimostrabilità con la logica. Se riusciamo a dimostrare che una cosa è vera logicamente, quella verità non cambierà mai. Questo è il genere di cose che ci danno la fiducia per costruire razzi e astronavi che possono essere pilotati con una precisione quasi millimetrica da quattro miliardi e mezzo di miglia di distanza, ed è per questo che possiamo dire che il calcolo quantistico non sarà solo trasformativo, possiamo dirti esattamente perché.

Nei 25 anni trascorsi da quando Peter Shor ha pubblicato il primo algoritmo quantistico - che ha dimostrato che la fattorizzazione in fattori primi degli interi potrebbe essere eseguita su computer quantistici in tempo polinomiale - matematici e informatici hanno sviluppato altri algoritmi quantistici che affrontano problemi che i computer classici hanno faticato a risolvere . Di quelle dozzine di algoritmi quantistici, molti di loro sono ordini di grandezza più veloci dell'algoritmo classico più efficiente che conosciamo e sono possibili solo grazie all'ambiente quantistico unico in cui operano.

Alcuni dei lavori più importanti nel campo dell'informatica quantistica sono stati la creazione di algoritmi che simulano diversi sistemi quantistici che compaiono in tutto, dalla tecnologia laser alla medicina. Questi algoritmi saranno in grado di superare simulazioni di calcolo classiche simili con un ampio margine. Attualmente, gli algoritmi classici che eseguono la simulazione molecolare sono limitati nei tipi di molecole che possono simulare. Questi algoritmi sono generalmente limitati a molecole con meno di 70 spin-orbitali, non di più, e la complessità della simulazione cresce così rapidamente da diventare intrattabile.

Nel frattempo, un singolo qubit può rappresentare uno di questi orbitali in modo abbastanza efficiente in modo che un computer quantistico con solo 100 qubit - il computer quantistico D-Wave 2X ha 1152 qubit, sebbene sia stato costruito per eseguire un algoritmo spaziale, non come scopo generale computer quantistico - consentirebbe simulazioni molecolari che i computer classici non sono nemmeno in grado di simulare e probabilmente non lo faranno mai. Queste simulazioni possono potenzialmente rivelare tutti i tipi di composti precedentemente sconosciuti che possono fornire nuove terapie per qualsiasi numero di malattie.

Esistono algoritmi quantistici per qualsiasi cosa, dalle ricerche in profondità e le passeggiate quantistiche su un grafico alla risoluzione di sistemi di equazioni lineari, equazioni differenziali e persino progressi su alcune classi di problemi di ottimizzazione, come l'ottimizzazione adiabatica. Ciò che manca a questi algoritmi, tuttavia, è un computer quantistico sufficientemente potente con abbastanza qubit da funzionare.

Non sarà così per sempre, però, e quando arriverà il momento di prendere questi algoritmi dallo scaffale e metterli in funzione, alcuni dei problemi più frustranti, esponenzialmente e fattorialmente complessi nel mondo degli affari, dell'amministrazione, della medicina, ingegneria, e altro verrà risolto in tempo superpolinomiale o più velocemente. Questi guadagni sono il vero affare e sono garantiti dalla loro logica per funzionare; l'unica domanda è quanto tempo impiegheranno ad arrivare questi computer.

Ridefinire il computer per l'era post-classica

Il problema che devono affrontare i computer classici in futuro è intrinseco alla natura elettronica dei computer stessi. Evolvendosi da semplici circuiti elettronici, i computer utilizzano una metodologia computazionale molto specifica per risolvere i problemi e quindi sono permanentemente bloccati nel modello di calcolo dei numeri binari sequenziali che l'elettronica utilizza da più di un secolo. Il posto dominante di questo modello nella nostra tecnologia non significa che sia l'unico modo per eseguire calcoli.

La spintronica, che utilizza lo spin degli elettroni e le proprietà magnetiche che questo spin produce, si sta dimostrando il più promettente come meccanismo di archiviazione grazie alla sua impermeabilità ai disturbi magnetici esterni, il tipo che può cancellare interi dischi rigidi che si basano sull'attuale tecnologia di memorizzazione dei dati ferromagnetici .

Le qualità magnetiche degli elettroni suggeriscono anche che si potrebbe costruire un transistor semiconduttore spintronico che potrebbe riportare in vita la legge di Moore, almeno per un po '. Gli atomi potrebbero essere piccoli, ma sono praticamente tutti nuclei. Gli elettroni che orbitano attorno al nucleo nel frattempo sono ordini di grandezza più piccoli di un atomo stesso, quindi dovrebbe essere possibile imballare migliaia di volte più transistor spintronici sugli attuali chip di silicio, dando ai computer classici l'opportunità di aggirare l'intera legge della fisica e problema di chimica.

Allontanandosi dalla nostra ossessione per i chip di silicio, c'è un'altra importante area di ricerca computazionale che ha un potenziale incredibile. Il calcolo del DNA potrebbe sembrare confuso e forse un po 'strano a prima vista, ma se ci pensate, è un ovvio candidato per la ricerca e lo sviluppo informatico post-classico.

Da quando i primi filamenti di DNA hanno codificato le istruzioni per la creazione e il funzionamento di organismi unicellulari, è diventato un potente meccanismo per la trasmissione e l'archiviazione dei dati, ma i ricercatori stanno ora scavando più a fondo nei singoli elementi costitutivi del DNA stesso , ed è potenziale come meccanismo di calcolo a sé stante.

La ricerca ha dimostrato [PDF] che i quattro amminoacidi distinti - A, T, C e G - che servono come elementi costitutivi del DNA possono essere riproposti per agire come bit codificabili. Quando miscelati, questi amminoacidi si autoassemblano naturalmente in filamenti di DNA e non solo in qualsiasi DNA, ma in tutte le diverse permutazioni di DNA possibili con i materiali disponibili.

Si tratta di un'innovazione potenzialmente rivoluzionaria poiché eseguire operazioni su una sovrapposizione di qubit non è la stessa cosa del vero calcolo parallelo. I computer quantistici ti daranno solo un singolo output, un valore o uno stato quantistico risultante, quindi la loro utilità nel risolvere i problemi con complessità temporale esponenziale o fattoriale dipenderà interamente dall'algoritmo utilizzato.

Il calcolo del DNA, tuttavia, sfrutta la capacità di questi amminoacidi di costruirsi e assemblarsi in lunghi filamenti di DNA. Mescola questi amminoacidi e diventeranno naturalmente più lunghi e complessi permutazioni del set di amminoacidi. Se hai seguito la serie, quelle parole dovrebbero essere saltate fuori. La permutazione è un processo con complessità temporale fattoriale ed è la sfida fondamentale che deve essere superata se vogliamo risolvere un problema NP-completo. Le permutazioni riguardano tutto ottimizzazione, ed è probabile che anche un computer quantistico possa trovare ottimizzazione oltre il suo potere di risolvere.

Questo è ciò che rende il DNA computing un nuovo sviluppo così entusiasmante. Se codifichiamo il nome di una città nel problema del venditore ambulante come una combinazione di amminoacidi e gettiamo tutti questi amminoacidi in un bicchiere, una volta che iniziano ad autoassemblarsi in filamenti di DNA, la soluzione corretta al problema del venditore ambulante lo farà crescere organicamente da questo processo.

In meno di un minuto, la soluzione al problema del venditore ambulante sarà contenuta in quel bicchiere sotto forma di un filo di DNA e la sfida diventa trovare un modo per filtrare le risposte sbagliate fino a quando non saremo in grado di isolare questa soluzione ottimale. Filtrare l'infinito numero di filamenti di DNA errati per trovare quello ottimale non è un compito da poco, senza dubbio, ma è anche non un problema di permutando ogni possibile filamento di DNA. Come abbiamo visto nell'algoritmo di Shor, a volte la chiave per trovare la soluzione a un problema intrattabile è trasformarlo in un problema equivalente che è più facile da risolvere.

Sebbene questa sia ancora una cosa difficile da fare dal punto di vista computazionale, è molto più semplice che forzare brute permutazioni e convalidarle postfazione per trovare la strada migliore da prendere per il nostro venditore. La ricerca in corso sul calcolo del DNA rivelerà nel tempo la sua vera efficacia, ma i filamenti di DNA autoassemblanti offrono la promessa di un vero calcolo parallelo, qualcosa che nemmeno il calcolo quantistico può rivendicare.

Ci stiamo rapidamente avvicinando a un orizzonte di eventi tecnologici

È del tutto possibile che prima di vedere tutto questo, l'umanità finirà per bombardarsi in una nuova era oscura che impiega migliaia di anni per riprendersi.

È importante ricordare che mentre il progresso non è garantito, il cambiamento lo è sempre e il tipo di ritiro tecnologico e scientifico che questa nuova era oscura rappresenterebbe è l'unico confronto che posso fare per catturare la portata del cambiamento che può derivare dalla transizione verso l'era post-classica.

L'umanità si sta davvero avvicinando a un orizzonte degli eventi tecnologici. C'è qualcosa dall'altra parte del divario classico-post-classico, è probabile che sia molto più massiccio di quanto sembri da qui, e qualsiasi previsione su ciò che troveremo una volta superato è buona come quella di chiunque altro .

Sebbene possa essere divertente speculare su progressi specifici, ciò che alla fine importerà molto più di qualsiasi progresso saranno le sinergie prodotte da questi diversi progressi che lavorano insieme. Le sinergie sono notoriamente maggiori della somma delle loro parti, ma cosa significa quando le tue parti sono blockchain, reti 5G, computer quantistici e intelligenza artificiale avanzata?

Qualunque cosa finisca per essere, ridefinirà il calcolo così come lo conosciamo e le implicazioni dei nuovi sistemi che creeremo integrando questi vari modelli saranno così immense che l'unica cosa che so per certo è che il nostro passaggio al post- il mondo classico è garantito per essere un viaggio di sola andata.


Guarda il video: 3 Motivi Per I Quali NON Studiare Informatica o Ingegneria Informatica (Luglio 2022).


Commenti:

  1. Mikko

    Hai torto. Inseriamo che discuteremo. Scrivimi in PM, parleremo.

  2. Bordan

    non sei l'esperto?

  3. Dovev

    Hanno fatto uno stand qui ... Mi sembra che l'autore abbia scritto correttamente, beh, avrebbe potuto essere più morbido. P. S. Mi congratulo con te per l'ultimo Natale!



Scrivi un messaggio