Comment les ordinateurs Quantum se sentent à côté d'un ordinateur classique

Pourquoi avons-nous besoin d'ordinateurs Quantum?

Ce n’est pas simplement parce qu’ils sont cool.

Voici la réponse courte:

  • Les départements de mathématiques et de sciences du monde ont devant eux un mur appelé «problèmes vraiment difficiles» (pensez: soigner le cancer, les batteries écoénergétiques [ou tout ce qui est écoénergétique] et la conception matérielle).
  • Les cerveaux humains sont smol. Nous avons donc créé des ordinateurs pour calculer les choses plus rapidement. (Les ordinateurs sont une représentation de la façon dont les humains pensent, juste plus rapidement.)
  • Même le supercalculateur le plus puissant n’a pas assez de puissance de calcul pour casser le mur appelé «problèmes vraiment difficiles».
  • Les ordinateurs quantiques «pensent» / fonctionnent différemment. Ils peuvent sauver la journée!

Voici la longue réponse:

  • lire l'article

(comprend pourquoi nous ne pouvons pas abattre le mur mentionné précédemment)

(bonne lecture. continuez.)

Einstein est plutôt intelligent.

L'icône de la physique théorique a mis au point la théorie de la relativité (un pilier de la physique moderne), a créé une arme qui mettrait fin à la plus grande guerre de tous les temps et a créé l'équation la plus célèbre.

Il faudrait un peu gros pour déconcerter le maître des atomes.

Ou quelque chose de vraiment petit.

Comme… plus petit qu'un atome.

Einstein était peut-être le maître des atomes, mais il était complètement confus lorsqu'il s'agissait de comprendre les particules quantiques (particules subatomiques).

Heureusement, je peux aider avec ça.

La physique telle que nous la connaissons et la voyons est définie par les lois newtonienne et einsteinienne. Ce sont les traits observables que les atomes autour de nous semblent représenter. Ces lois représentent notre expérience physique du monde et ont été définies par des moyens mathématiques logiques dans notre esprit humain.

Mais lorsque nous visitons des particules situées dans un atome, nous rencontrons des observations si étranges qu’elles vont totalement à l’encontre de notre intuition naturelle.

Ces particules subatomiques jouent dans le domaine de la mécanique quantique.

Dans les années 1920, Einstein et Niels Bohr ont fait la une des journaux en se disputant sans cesse sur la légitimité de la mécanique quantique. Tandis que Einstein croyait qu’une réalité physique existait indépendamment de notre capacité à l’observer, Bohr et ses partisans estimaient qu’il n’avait aucun sens de spéculer sur une "réalité ultime" qui existe au-delà de nos perceptions - que tout ce que nous pouvons et devons savoir sont les résultats de observations et mesures.

Les scientifiques modernes ont largement dépassé le débat sur la légitimité de la mécanique quantique et ont commencé à utiliser des ordinateurs pour exploiter leurs propriétés.

Même s’ils (espérons-le) ne créeront pas une autre gamme à la mode de machines à mourir, les ordinateurs quantiques ont même l'air très intéressés par les gouvernements. Désolé, Bohr.

Mais comprendre la mécanique quantique à utiliser pour les calculs fait plus pour nous que picoter nos esprits curieux (comme ce fut le cas pour Einstein).

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de supprimer les obstacles qui freinent les innovations en mathématiques, en médecine et en conception de matériel.

Comprendre les bases de haut niveau de la mécanique quantique n’est pas vraiment difficile à comprendre, et pour bien comprendre en quoi l’ordinateur quantique peut sauver votre grand-mère, vous devriez lire ceci:

De retour déjà? Quel pantalon chic. Commençons.

Les humains adorent attribuer des qualités à nos capacités cognitives et se vantent constamment du monde technologiquement avancé dans lequel nous vivons. Chaque technologie est plus rapide et plus petite que jamais et nous a permis d’atteindre un niveau de vie supérieur que nous n'aurions pu imaginer il y a même 25 ans.

Il n’ya pas d’arc-en-ciel et de licornes jusqu’à ce que nous réalisions - il ya tant de problèmes que les scientifiques rencontrent dans notre vie quotidienne - cela n’a pas été résolu… et nous ne pouvons tout simplement pas continuer à développer des ordinateurs plus rapidement et plus petits pour les résoudre.

Attendez. Pourquoi tho?

Pourquoi ne pourrions-nous pas nous contenter de deux ou trois autres années de scientifiques et de nerds qui font ce qu’ils ont à faire et d’attendre que des médicaments comme la médecine personnalisée nous parviennent?

Oui, peut-être que ça marchera - sauf que ça ne marchera pas.

Il y a 2 problèmes principaux:

  1. Comment fonctionnent les ordinateurs
  2. Les ordinateurs sont vraiment petits

Bits sur bits sur bits

Les ordinateurs conventionnels sont limités à faire une chose à la fois.

En effet, fondamentalement, les ordinateurs numériques ne reçoivent et ne traitent les informations que de manière linéaire et ordonnée - par le biais de bits ne lisant que les 0 et les 1. (Comme vous le savez peut-être maintenant dans mon article).

Lorsque vous rencontrez un problème nécessitant que nos ordinateurs prennent en compte de nombreux paramètres et situations, il ne peut le faire efficacement. Pour arriver à un résultat, un ordinateur numérique doit passer par toutes les possibilités avant de parvenir à une conclusion.

Donc,

Plus le problème est complexe, plus il faut de temps pour le résoudre…

Le processus consistant à utiliser des bits classiques pour prendre en compte de multiples configurations peut prendre même le plus grand supercalculateur de la planète - et si nous essayons de continuer à innover jusque dans mes années de jeune adulte… il faut que quelque chose change.

Raison numéro deux:

Notre technologie ne nous le laissera pas physiquement.

Nous sommes à un moment de notre vie où la loi de Moore n’est plus pertinente.

Hmm… transistors… semble important.

Nous pouvons comprendre comment les ordinateurs classiques ont atteint leur limite de calcul en comprenant les transistors.

Les ordinateurs sont à la base un circuit électronique (très complexe) constitué de fils de connexion et d’un ensemble de commutateurs pouvant être activés ou désactivés. Ces commutateurs sont contrôlés électroniquement (duh, c’est un circuit électronique) et sont appelés transistors.

En plaçant des transistors sur un circuit, nous arrêtons et commençons l’écoulement du courant électrique.

Vous pouvez également dire que les transistors placent une condition sur le circuit, décidant si le courant électrique peut circuler ou non.

Alors maintenant, votre circuit a la capacité de décider du flux de courant en fonction de ces conditions.

Donc en gros,

plus de transistors = plus de conditions = plus de portes = calculs plus compliqués

Compris? Agréable.

Empilez un tas de portes sur un circuit et vous avez essentiellement votre ordinateur portable sur lequel vous lisez probablement cet article.

Le temps (et un tas de nerds) nous a permis de trouver de nouvelles techniques de fabrication pour créer des transistors de plus en plus petits - et de les adapter à des espaces plus petits (comme des cartes de circuits imprimés).

Au fur et à mesure que les transistors devenaient plus petits, l’espace nécessaire à l’emplacement devenait de plus en plus petit, à tel point que nous avons commencé à les appeler «puces».

Des sociétés comme Intel produisent des transistors de masse ne dépassant pas 14 nanomètres. C’est 14 fois plus large que vos molécules d’ADN. C'est fou.

Nous avons fabriqué des transistors si petits que nous pouvons maintenant en insérer 4,3 milliards sur une puce aussi petite qu'un centime (si ces choses existaient encore).

Avec autant de transistors, nous avons créé une multitude de portes logiques qui s’esclave pour effectuer des calculs extrêmement complexes. Parfois, nous utilisons cette puissance de calcul extrêmement complexe pour des raisons peu complexes ou intellectuelles, comme le défilement dans Reddit.

Quoi qu'il en soit.

Les transistors sont en silicium.

La taille atomique du silicium est d’environ 0,2 nanomètre, ce qui donne à nos transistors environ 70 atomes de silicium. Cela rend la possibilité de les rendre encore plus petites - plus petites que jamais.

À une échelle aussi petite, nous commençons à traiter certaines anomalies. Les particules, comme les électrons, commencent à se comporter selon les lois de la physique quantique (oui pour vous! Vous savez ce que cela signifie!).

Par conséquent, les limites de la puissance de calcul sont assez directement corrélées à la limite de la taille réduite de nos transistors.

Donc… nos ordinateurs actuels ne peuvent pas résoudre les problèmes que nous voulons, et nous ne pouvons même pas rendre les ordinateurs plus puissants ou complexes à gérer.

Alors qu'est-ce que c'est?

Voici l'enfer:

Les scientifiques fabriquent des ordinateurs qui utilisent les propriétés de la physique quantique pour les calculs. Cela signifie que notre processus de calcul pourra fonctionner sur un plan exponentiel plutôt que linéaire.

Pour quoi les ordinateurs Quantum existent-ils?

Les ordinateurs quantiques jouent avec des particules dans le royaume quantique…

Logique.

Les ordinateurs quantiques pouvant simuler des états simultanément, ils peuvent prendre en charge plusieurs configurations à la fois et traiter une quantité extraordinaire d'informations.

En fait, il peut stocker exponentiellement plus d’informations qu’un bit classique.

La puissance «exponentielle» réside dans la capacité d’un ordinateur quantique à doubler les états que le système peut stocker simultanément, à mesure que vous ajoutez un seul qubit.

Deux qubits peuvent stocker quatre états, trois qubits peuvent stocker huit états, quatre qubits peuvent stocker 16 états… vous voyez l'idée.

Pour une situation dans laquelle vous auriez besoin de 50 qubits intriqués pour modéliser des états quantiques, vous devrez coder 1,125 quadrillion de bits classiques pour stocker la même quantité d’informations.

Pourquoi je m'en soucie.

Tout au long de cet article, j’ai abordé cette question très compliquée appelée «être vraiment vague» et je n’ai pas défini les problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre (ni les ordinateurs quantiques).

Je pense que le moment est venu de résoudre ce problème.

Prenons une situation réelle: la simulation moléculaire.

OK OK. Reste avec moi ici. Je sais que cela semble être quelque chose que seuls les chercheurs et les manuels de lycée doivent traiter… mais sachez ceci: les molécules composent tous les matériaux qui nous entourent.

Cela laisse beaucoup de place aux applications de la simulation moléculaire.

Prenons un problème qui concerne tout le monde (jeu de mots voulu) sur cette planète: la médecine.

À l'heure actuelle, il faut au moins 12 ans pour qu'un médicament pénètre du laboratoire dans votre armoire à pharmacie. (Si cela fait même si loin.)

C’est une durée de vie pour certains et un luxe pour d’autres qui n’ont pas 12 ans d’attente pour un médicament qui pourrait même ne pas rétablir leur santé.

12 ans et au moins 648 millions de dollars (jusqu’à 2,7 milliards de dollars) pour la légère chance que vous soyez guéri d’une maladie dont vous ne voudriez probablement pas.

La légère chance en vaut peut-être la peine pour vous, mais je suis intéressé par l’ouverture de cet écart d’opportunités.

Modèles de produits chimiques

Aujourd'hui, nous essayons de créer des médicaments salvateurs en utilisant des modélisateurs chimiques.

Ces modèles de produits chimiques tentent en permanence de créer des composés en étant forcés de déterminer le comportement possible d'une molécule inconnue, puis de la tester dans le monde réel pour voir si elle fonctionnait comme prévu.

Ce processus constant de va-et-vient demande beaucoup de temps et de ressources (bonjour, 12 ans et quelques millions de dollars).

Cela ne fonctionne pas vraiment non plus.

La simulation moléculaire consiste à trouver l’état fondamental d’un composé - sa configuration la plus stable. Avec toute cette pratique polyvalente en classe de chimie, cela peut sembler assez facile. Mais pour vraiment connaître l’état fondamental d’une molécule, il faut prendre en compte plus que l’équilibre d’une équation de squelette:

  • comment chaque électron dans chaque atome va interagir avec tous les noyaux des autres atomes
  • les effets quantiques qui se produisent à de si petites échelles

Ces paramètres deviennent exponentiellement plus difficiles à gérer lorsque la taille de la molécule augmente.

Nos cerveaux et ordinateurs binaires ne peuvent pas extraire une configuration optimale dans un temps raisonnablement utile.

Il y a même un mot pour cela: le temps polynomial. Poly-time est le temps nécessaire à un ordinateur classique pour résoudre un problème.

Nous utilisons l’idée de «pouvoir calculer un problème en plusieurs temps», car oui - les ordinateurs classiques peuvent en fait simuler des molécules - cela leur prendra un temps atroce pour le faire.

Même les supercalculateurs les plus puissants d’aujourd’hui (qui sont tout à fait super) luttent très rapidement pour simuler une molécule à trois éléments ou plus.

Garder une trace de la nature exponentielle et des interactions quantiques de chaque nouvel électron dans les liaisons d’une molécule est extrêmement laborieux pour un ordinateur classique (et les modélisateurs chimiques actuels).

Mais pour un ordinateur quantique traitant des interactions quantiques? Cela semble à peu près raisonnable.

Donc là.

Les ordinateurs classiques ne sont pas le gros bois qu’ils sont en train de devenir. Et les ordinateurs quantiques sont cool.

Beaucoup de gens croient que l’émergence des ordinateurs quantiques signifiera que vous aurez un ordinateur de 16 qubits assis sur vos genoux dans environ une décennie. C'est à peu près (f̵a̵k̵e̵ ̵n̵e̵w̵s̵) faux parce que les ordinateurs classiques sont excellents… ils ne sont tout simplement pas capables à certains égards. Quelques aspects importants. Des aspects qui nous empêchent de faire des choses cool. Comme des molécules. Et puis la médecine personnalisée. Et des batteries écoénergétiques. Et peut-être une architecture efficace.

Tu obtiens le point.

En raison du fonctionnement inhérent des ordinateurs classiques, ils ne peuvent pas calculer certaines configurations. Et à cause de cet article, vous savez maintenant pourquoi.

Contrairement à ce que M. Bohr pensait, il est important de comprendre comment se produit un phénomène aussi inobservable que le mouvement des électrons.

Les molécules constituent le matériau qui nous entoure. Si nous voulons optimiser notre utilisation de nos ressources, nous ne pouvons pas continuer à faire ce qui n’a pas fonctionné: utiliser des ordinateurs classiques pour simuler des matériaux pour l’innovation. Nous devons investir dans l'efficacité.

Je sais que je n’ai pas expliqué comment l’Ordre Quantum s’y prendrait - mais croyez-moi, cela va arriver. Je ne voulais tout simplement pas vous ennuyer avec une explication mathématique. Certains d’entre vous pourraient ne pas être ici.

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