كيف تشعر الكم للكمبيوتر بجوار الكمبيوتر الكلاسيكي

لماذا نحتاج الكم للكمبيوتر

هذا ليس فقط لأنهم باردون.

إليك الإجابة المختصرة:

  • أمام قسم الرياضيات والعلوم في العالم جدار أمامهم يسمى "المشكلات الصعبة حقًا" (فكر في علاج السرطان والبطاريات الموفرة للطاقة [أو أي شيء موفر للطاقة في هذا الشأن] ، وتصميم المواد).
  • أدمغة الإنسان هي smol. لذلك أنشأنا أجهزة الكمبيوتر لحساب الأشياء بشكل أسرع. (تمثل الحواسيب تمثيلًا لكيفية تفكير البشر ، بشكل أسرع)
  • حتى أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة لا تملك قوة حسابية كافية لكسر الجدار الذي يطلق عليه "المشكلات الصعبة حقًا".
  • أجهزة الكمبيوتر الكمومية "تفكر" / تعمل بشكل مختلف. يمكنهم إنقاذ اليوم!

إليك الإجابة الطويلة:

  • اقرأ المقال

(بما في ذلك لماذا لا يمكننا كسر الجدار المذكور سابقًا)

(قراءة جيدة. هل تستمر.)

كيندا ذكي نوعاً ما.

أيقونة الفيزياء النظرية توصلت إلى نظرية النسبية (دعامة للفيزياء الحديثة) ، وصنعت سلاحًا ينهي أعظم حرب على الإطلاق ، ورعى المعادلة الأكثر شهرة.

سيستغرق الأمر شيئًا كبيرًا لإرباك سيد الذرات.

أو شيء صغير حقا.

مثل ... أصغر من الذرة.

ربما كان أينشتاين هو سيد الذرات ، لكنه كان محيرًا تمامًا عندما يتعلق الأمر بفهم الجزيئات الكمومية (الجسيمات دون الذرية).

لحسن الحظ ، يمكنني المساعدة في ذلك.

يتم تعريف الفيزياء كما نعرفها ورؤيتها ، وفقًا لقوانين نيوتن وأينشتاين. إنها السمات البارزة التي يبدو أن الذرات من حولنا تصورها. تمثل هذه القوانين كيف نختبر العالم فعليًا ، وقد تم تحديدها بالوسائل الرياضية المنطقية في أذهاننا البشرية.

لكن عندما نقوم بزيارة للجزيئات التي توجد داخل الذرة ، نواجه ملاحظات غريبة للغاية ، فهي تتعارض تمامًا مع الحدس الطبيعي لدينا.

تلعب هذه الجسيمات دون الذرية في عالم ميكانيكا الكم.

في العشرينات من القرن العشرين ، احتل أينشتاين ونيلز بوهر عناوين الصحف بنزاعهما المستمر حول شرعية ميكانيكا الكم. بينما يعتقد آينشتاين أن الواقع المادي موجود بشكل مستقل عن قدرتنا على مشاهدته ، يعتقد بوهر وأتباعه أنه من غير المنطقي التكهن بـ "حقيقة نهائية" موجودة بما يتجاوز تصوراتنا - أن كل ما نستطيع ، ويجب أن نعرفه ، هو نتائج الملاحظات والقياسات.

لقد تجاوز علماء العصر الحديث عن شرعية الميكانيكا الكمومية ، وهم يستخدمون أجهزة الكمبيوتر لاستغلال ممتلكاتهم.

في حين أنهم (نأمل) لن ينشئوا خطًا آخر من آلات الموت ، إلا أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لديها حتى الحكومات التي تبدو مهتمة جدًا. آسف يا بوهر.

لكن فهم الميكانيكا الكمومية لاستخدامها في الحسابات ، يفيدنا أكثر من تفكير عقولنا الغريبة (كما كان يفعل آينشتاين).

أجهزة الكمبيوتر الكمومية لديها القدرة على كسر الحواجز التي تعيق الابتكارات في مجال الرياضيات والطب وتصميم المواد.

من الصعب فهم فهم الأساسيات الرفيعة المستوى لميكانيكا الكم ، ولكي ندرك حقًا كيف يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية إنقاذ جدتك ، يجب عليك قراءة هذا:

ظهر بالفعل؟ ما سروال أنيق. هيا بنا نبدأ.

يحب البشر إعطاء الفضل في قدراتنا المعرفية ، ويتفاخرون باستمرار بالعالم المتقدم تقنياً الذي نعيش فيه. كل قطعة من التكنولوجيا أسرع وأصغر من أي وقت مضى ، وقد ساعدتنا في تحقيق مستوى معيشي أكبر لم يكن بالإمكان تخيله حتى قبل 25 سنة.

كل هذا هو أقواس قزح وحيدات إلى أن ندرك - هناك الكثير من المشكلات التي يصارعها العلماء مع تلك الزحف في حياتنا اليومية - لم يتم حلها ... ولا يمكننا ببساطة تطوير أجهزة الكمبيوتر بشكل أسرع أو أصغر لحلها.

انتظر. لماذا ثو؟

لماذا لا يمكننا رمي بضع سنوات أخرى من العلماء والمهووسين بالقيام بعملهم وانتظار أشياء مثل الطب الشخصي ليأتي إلينا؟

نعم بالتأكيد ربما هذا سوف ينجح - إلا أنه لن ينجح.

هناك مشكلتان رئيسيتان:

  1. كيف تعمل أجهزة الكمبيوتر
  2. أجهزة الكمبيوتر صغيرة حقا

بت على بت على بت

تقتصر أجهزة الكمبيوتر التقليدية على فعل شيء واحد في كل مرة.

هذا لأنه في الأساس ، لا تتلقى أجهزة الكمبيوتر الرقمية المعلومات وتعالجها إلا بطريقة خطية ومنظمة - من خلال وحدات بت فقط تقرأ 0 و 1 ثانية. (كما تعلمون الآن من خلال مقالتي).

عند مواجهة مشكلة تستلزم من حواسبنا مراعاة العديد من المعلمات والمواقف - لا يمكنها القيام بذلك بكفاءة. للوصول إلى نتيجة ، يجب أن يعمل الكمبيوتر الرقمي من خلال كل الاحتمالات قبل الوصول إلى نتيجة.

وبالتالي،

كلما كانت المشكلة أكثر تعقيدًا ، كلما طال وقت حلها ...

قد تستغرق عملية استخدام البتات الكلاسيكية للنظر في تكوينات متعددة حتى أكبر حاسوب عملاق على الأرض منذ سنوات - وإذا كنا نحاول الحفاظ على الابتكار جيدًا في سنوات شبابي البالغين ... هناك شيء بحاجة إلى التغيير.

السبب numéro deux:

لن تسمح لنا التكنولوجيا فعليًا.

نحن في مرحلة من حياتنا عندما لم يعد قانون مور ذا صلة.

هم ... الترانزستورات ... يبدو هاما.

يمكننا أن نفهم كيف وصلت أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية إلى حدها الحسابي من خلال فهم الترانزستورات.

أجهزة الكمبيوتر عبارة عن دارة إلكترونية (معقدة للغاية) تتكون من أسلاك توصيل ومجموعة من المفاتيح التي يمكن تشغيلها أو إيقاف تشغيلها. يتم التحكم في هذه المفاتيح إلكترونيًا (تسمى duh باسم الدائرة الإلكترونية) وتسمى الترانزستورات.

من خلال وضع الترانزستورات على الدائرة ، فإننا نوقف ونبدأ تدفق التيار الكهربائي.

يمكنك أيضًا القول بأن الترانزستورات تضع شرطًا على الدائرة ، فتقرر ما إذا كان التيار الكهربائي يمكن أن يتدفق أم لا.

لذا ، فإن دائرتك الآن لديها القدرة على تحديد تدفق التيار ، استنادًا إلى هذه الشروط.

لذلك أساسا ،

المزيد من الترانزستورات = شروط أكثر = بوابات أكثر = حسابات أكثر تعقيدًا

حصلت عليه؟ لطيف.

كومة على مجموعة من البوابات على الدائرة ولديك جهاز الكمبيوتر المحمول الخاص بك بشكل أساسي ربما تقرأ هذا المقال.

أتاح لنا الوقت (ومجموعة من المهووسين) إيجاد تقنيات تصنيع جديدة لإنشاء ترانزستورات أصغر وأصغر - وتناسبها في المساحات الأصغر (مثل لوحات الدوائر).

عندما أصبحت الترانزستورات أصغر ، أصبحت المساحة اللازمة لوضعها أصغر بكثير ، حتى بدأنا نطلق عليها "رقائق".

شركات مثل إنتل ترانزستورات كبيرة الإنتاج لا تتجاوز مساحتها 14 نانومتر. هذا أكبر 14 مرة من جزيئات الحمض النووي الخاص بك. هذا جنون.

لقد جعلنا الترانزستورات صغيرة للغاية ، بحيث يمكننا الآن تركيب 4.3 مليار منهم على شريحة صغيرة مثل فلس واحد (إذا وجدت هذه الأشياء بعد الآن).

من خلال هذا العدد الكبير من الترانزستورات ، أنشأنا طنًا هائلًا من البوابات المنطقية التي تعمل بعيدًا لإجراء حسابات معقدة للغاية بالنسبة لنا. في بعض الأحيان ، نستخدم هذه القوة الحسابية المعقدة للغاية لأسباب غير معقدة أو فكرية - مثل التمرير عبر Reddit.

على أي حال.

مصنوعة الترانزستورات من السيليكون.

يبلغ الحجم الذري للسيليكون حوالي 0.2 نانومتر ، مما يجعل الترانزستورات لدينا حوالي 70 ذرة من السيليكون. وهذا يجعل إمكانية جعلها أصغر - أصغر من أي وقت مضى.

على نطاق صغير بهذا الحجم ، نبدأ في التعامل مع بعض العيوب. تبدأ الجزيئات ، مثل الإلكترونات ، في التصرف وفقًا لقوانين فيزياء الكم (yay for you! أنت تعرف ماذا يعني هذا!).

لذلك ، ترتبط حدود القوة الحاسوبية ارتباطًا مباشرًا بحدود كيف يمكننا صنع ترانزستوراتنا الصغيرة.

لذلك ... لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الحالية لدينا حل المشكلات التي نريدها ، ولا يمكننا حتى جعل أجهزة الكمبيوتر أكثر قوة أو تعقيدًا لاستيعابها.

ماذا بحق الجحيم؟

ها هو الجحيم:

يصنع العلماء أجهزة كمبيوتر تستخدم خواص فيزياء الكم للحسابات. بمعنى أن العملية الحسابية الخاصة بنا ستكون قادرة على العمل على مستوى الأسي ، وليس الخطي.

ماذا الكم للكمبيوتر موجود ل

أجهزة الكمبيوتر الكمومية تلعب مع الجزيئات في عالم الكم ...

من المنطقي.

نظرًا لأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكنها محاكاة الحالات في وقت واحد ، يمكنها النظر في تكوينات متعددة في آن واحد - ومعالجة كمية غير عادية من المعلومات.

في الواقع ، يمكن أن تخزن معلومات أكثر أضعافا مضاعفة من بت الكلاسيكية.

تكمن القوة "الأسية" في قدرة الكمبيوتر الكمي لمضاعفة الحالات التي يمكن للنظام تخزينها في وقت واحد - أثناء إضافة وحدة واحدة.

يمكن أن يقوم كل اثنين من وحدات التخزين بتخزين أربع حالات ، وثلاثة وحدات تخزين يمكن أن تخزن ثماني حالات ، ويمكن لأربع وحدات تخزين أن تخزن 16 ولاية ... تحصل على هذه الفكرة.

بالنسبة للموقف الذي تحتاج فيه إلى 50 بتة متشابكة لنمذجة حالات الكم ، ستحتاج إلى تشفير 1.125 كوادريليون بت لتخزين الكمية نفسها من المعلومات.

لماذا يهمني ثو.

خلال هذه المقالة ، قمت بهذا الشيء الفوضوي الذي يسمى "كونها غامضة حقًا" ، ولم أكن قد حددت بالفعل أي مشاكل لا يمكن لأجهزة الكمبيوتر التقليدية حلها (ويمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية) حلها.

أعتقد أنه حان الوقت لإصلاح ذلك.

النظر في الوضع الحقيقي للحياة: المحاكاة الجزيئية.

حسنا حسنا. ابق معي هنا. أعلم أن هذا يبدو وكأنه شيء يجب على الباحثين وكتاب المدارس الثانوية التعامل معه ... لكنهم يدركون ذلك: تشكل الجزيئات جميع المواد من حولنا.

أن يترك مجالا وافرا لتطبيقات المحاكاة الجزيئية.

دعونا نواجه مشكلة تؤثر على الجميع (المقصود من التورية) على هذا الكوكب: الطب.

اعتبارا من الآن ، يستغرق الأمر ما لا يقل عن 12 عامًا حتى يسافر الدواء من المختبر إلى خزانة الأدوية الخاصة بك. (إذا كان الأمر يجعل ذلك بعيدًا.)

إنه عمر للبعض وترف للآخرين الذين لا يملكون 12 عامًا في انتظار دواء قد لا يستعيد صحتهم.

12 عامًا وما لا يقل عن 648 مليون دولار (إلى 2.7 مليار دولار) للحصول على فرصة طفيفة في أن تشفي من مرض ربما لا تريده.

قد تكون الفرصة البسيطة مناسبة لك ، لكنني مهتم بفتح فجوة الفرص هذه.

نماذج من المواد الكيميائية

الطريقة التي نحاول بها صنع الأدوية المنقذة للحياة اليوم ، هي باستخدام النماذج الكيميائية.

تحاول هذه النماذج للمواد الكيميائية بشكل مستمر إنشاء مركبات من خلال إجبارها على تقريب الطريقة التي قد يتصرف بها جزيء غير معروف ، ثم اختباره في العالم الواقعي لمعرفة ما إذا كان يعمل كما هو متوقع.

تستغرق هذه العملية المستمرة والمضيعة وقتًا طويلاً وتستهلك الكثير من الموارد (مرحبًا ، 12 عامًا وبضعة ملايين من الدولارات).

كما أنها لا تعمل حقًا.

المحاكاة الجزيئية هي كل شيء عن إيجاد حالة الأرض المركبة - التكوين الأكثر استقرارا. مع كل هذه الممارسة المتقاطعة في الفصل الكيميائي ، يمكن أن يبدو هذا سهلاً بدرجة كافية. ولكن لكي تعرف حقًا حالة جزيء الأرض ، عليك أن تفكر أكثر من الموازنة بين معادلة الهيكل العظمي:

  • كيف سيتفاعل كل إلكترون في كل ذرة مع كل نواة الذرات الأخرى
  • الآثار الكمومية التي تحدث على مثل هذه المقاييس الصغيرة

تصبح هذه المعلمات أكثر صعوبة بشكل كبير عند زيادة حجم الجزيء.

لا يمكن لأدمغتنا الثنائية وأجهزة الكمبيوتر ضخ التكوين الأمثل في وقت مفيد بشكل معقول.

هناك حتى كلمة واحدة: الوقت متعدد الحدود. Poly-time هو الوقت الذي يستغرقه الكمبيوتر الكلاسيكي لحل مشكلة ما.

نحن نستخدم فكرة "التمكن من حساب مشكلة في زمن متعدد" ، لأن نعم - يمكن لأجهزة الكمبيوتر التقليدية محاكاة الجزيئات بالفعل - سوف يستغرق الأمر وقتًا هائلاً من الوقت للقيام بذلك.

حتى أقوى الحواسيب الفائقة اليوم (من هم فوق العادة) تصارع بسرعة كبيرة مع محاكاة جزيء يحتوي على ثلاثة عناصر أو أكثر.

إن تتبع الطبيعة الأسية والتفاعلات الكمومية لكل إلكترون جديد في روابط جزيء كثيف العمالة للغاية بالنسبة للحاسوب الكلاسيكي (والموديلات الكيميائية الحالية).

ولكن لجهاز كمبيوتر الكم التعامل مع التفاعلات الكمومية؟ يبدو فقط عن معقول.

اذن هناك.

ليست أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية هي الفتوى الكبيرة التي تم تصميمها. وأجهزة الكمبيوتر الكمومية باردة.

يفترض الكثير من الأشخاص أن ارتفاع أجهزة الكمبيوتر الكمومية يعني أنه سيكون لديك جهاز كمبيوتر بحجم 16 جيجابت يجلس على حضنك خلال عقد من الزمان أو نحو ذلك. هذا كثيرًا (f̵a̵k̵e̵ ̵n̵e̵w̵s̵) خاطئ لأن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية رائعة ... إنها ليست فقط غير قادرة على ذلك في بعض الجوانب. بعض الجوانب الهامة. الجوانب التي تمنعنا من صنع الأشياء الرائعة. مثل الجزيئات. ثم الطب شخصية. والبطاريات الموفرة للطاقة. وربما بنية فعالة.

تحصل على هذه النقطة.

نظرًا للطريقة التي تعمل بها أجهزة الكمبيوتر التقليدية بطبيعتها ، لا يمكنها حساب تكوينات معينة. وبسبب هذا المقال ، أنت تعرف الآن لماذا.

على عكس ما اعتقد السيد بوهر ، من المهم في الواقع فهم كيفية حدوث شيء لا يمكن ملاحظته مثل حركة الإلكترون.

تشكل الجزيئات المادة من حولنا ، وإذا كنا نريد تحسين كيفية استخدام مواردنا ... لا يمكننا الاستمرار في فعل ما لم يكن يعمل - باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لمحاكاة المواد للابتكار. نحن بحاجة إلى الاستثمار في الكفاءة.

أعلم أنني لم أوضح فعليًا كيف ستعمل Quantum Computers فعلًا على ذلك - لكن ثق بي ، هذا سيأتي. أنا فقط لا أريد أن أعبرك يا رفاق بتفسير رياضي قد لا يكون بعضكم هنا من أجله.

ترقبوا الأشياء المثيرة:

  • ينكدين
  • متوسط:
  • تويتر:
  • DM للانضمام إلى النشرة الإخبارية بلدي