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

Pourquoi nous avons besoin d'ordinateurs quantiques

Ce n'est pas seulement parce qu'ils sont cool.

Voici la réponse courte:

  • Le département des mathématiques et des sciences du monde a devant eux un mur appelé `` problèmes vraiment difficiles '' (pensez: guérir le cancer, les batteries écoénergétiques [ou quoi que ce soit écoénergétique d'ailleurs] et la conception des matériaux).
  • Le cerveau humain est 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 vite.)
  • Même le supercalculateur le plus puissant n'a pas assez de puissance de calcul pour briser 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 briser le mur mentionné précédemment)

(bonne lecture. continuez.)

Einstein est plutôt intelligent.

L'icône de la physique théorique est venue avec 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 favorisé l'équation la plus célèbre.

Il faudrait un peu quelque chose de gros pour dérouter 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 vous aider.

La physique telle que nous la connaissons et la voyons est définie par les lois newtoniennes et einsteiniennes. Ce sont les traits observables que les atomes autour de nous semblent représenter. Ces lois représentent la façon dont nous expérimentons physiquement le monde et ont été définies par des moyens mathématiques qui sont logiques dans notre esprit humain.

Mais lorsque nous rendons visite à des particules qui se trouvent dans un atome, nous rencontrons des observations si étranges qu'elles vont complètement 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 avec leur dispute constante sur la légitimité de la mécanique quantique. Alors qu'Einstein croyait qu'une réalité physique existe indépendamment de notre capacité à l'observer, Bohr et ses disciples pensaient que cela 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 débattu de la légitimité de la mécanique quantique et se tournent vers l'utilisation des ordinateurs pour exploiter leurs propriétés.

Bien qu'ils (espérons-le) ne créeront pas une autre ligne à la mode de machines à mort, les ordinateurs quantiques ont même des gouvernements qui semblent assez intéressés. Désolé, Bohr.

Mais comprendre la mécanique quantique à utiliser pour les calculs, fait plus pour nous que de picoter nos esprits curieux (comme cela a été le cas pour Einstein).

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de briser les barrières qui freinent les innovations en mathématiques, en médecine et en conception de matériaux.

Comprendre les bases de haut niveau de la mécanique quantique n'est pas vraiment difficile à comprendre, et pour vraiment comprendre comment les ordinateurs quantiques peuvent sauver votre grand-mère, vous devriez lire ceci:

Déjà de retour? Quel pantalon chic. Commençons.

Les humains aiment donner du crédit à nos capacités cognitives et se vanter constamment du monde technologiquement avancé dans lequel nous vivons. Chaque technologie est plus rapide et plus petite que jamais et nous a aidés à atteindre un niveau de vie plus élevé qui n'aurait pas pu être imaginé il y a même 25 ans.

Ce ne sont que des arcs-en-ciel et des licornes jusqu'à ce que nous réalisions - il y a tellement de problèmes que les scientifiques luttent avec ce filet dans notre vie quotidienne - qui n'ont pas été résolus ... et nous ne pouvons tout simplement pas continuer à développer des ordinateurs plus rapidement ou plus petits pour les résoudre.

Attendez. Pourquoi ça?

Pourquoi ne pouvons-nous pas simplement mettre encore quelques années de scientifiques et de nerds à faire leur chose et attendre que des choses comme la médecine personnalisée nous parviennent?

Oui, bien sûr, cela fonctionnera - sauf que non.

Il y a 2 problèmes principaux:

  1. Fonctionnement des ordinateurs
  2. Les ordinateurs sont vraiment petits

Bits sur bits sur bits

Les ordinateurs conventionnels se limitent 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, via des bits qui ne lisent que les 0 et les 1. (Comme vous le savez peut-être maintenant à travers mon article).

Lorsque vous rencontrez un problème qui nécessite que nos ordinateurs prennent en compte de nombreux paramètres et situations, il ne peut pas le faire efficacement. Pour arriver à un résultat, un ordinateur numérique doit étudier toutes les possibilités avant d'arriver à une conclusion.

Par conséquent,

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

Le processus d'utilisation de bits classiques pour prendre en compte plusieurs configurations peut prendre même le plus grand supercalculateur des années sur terre - et si nous essayons de continuer à bien innover dans mes années de jeune adulte ... quelque chose doit changer.

Raison numéro deux:

Notre technologie ne nous laisse pas physiquement.

Nous en sommes à un moment de notre vie où la loi de Moore n'est plus d'actualité.

Hmm… transistors… ça a l'air important.

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

Les ordinateurs sont essentiellement un circuit électronique (très complexe) composé de fils de connexion et d'un tas de commutateurs qui peuvent être allumés ou éteints. Ces commutateurs sont contrôlés électroniquement (duh, ça s'appelle un circuit électronique), et sont appelés transistors.

En plaçant des transistors sur un circuit, nous arrêtons et démarrons le flux du courant électrique.

Vous pouvez également dire que les transistors imposent une condition au 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 = des 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 sur des espaces plus petits (comme les cartes de circuits imprimés).

À mesure que les transistors devenaient plus petits, l'espace nécessaire pour les placer devenait plus petit, à tel point que nous avons commencé à les appeler «puces».

Des entreprises comme Intel sont des transistors de production de masse qui ne font que 14 nanomètres de diamètre. C'est juste 14 fois plus large que vos molécules d'ADN. C'est fou.

Nous avons fait des transistors si petits, que nous pouvons maintenant en installer 4,3 milliards sur une puce aussi petite qu'un sou (si ces choses existaient plus).

Avec autant de transistors, nous avons créé une tonne de portes logiques qui s'esclaves pour effectuer des calculs très complexes pour nous. Parfois, nous utilisons cette puissance de calcul très complexe pour des raisons moins complexes ou intellectuelles - comme faire défiler Reddit.

Quoi qu'il en soit.

Les transistors sont en silicium.

La taille atomique du silicium est d'environ 0,2 nanomètres, ce qui rend nos transistors d'environ 70 atomes de silicium de large. Cela rend la possibilité de les rendre encore plus petits - plus petits 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 (yay 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 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 plus 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. Ce qui signifie que notre processus de calcul pourra fonctionner sur un plan exponentiel, plutôt que linéaire.

Pourquoi les ordinateurs quantiques existent

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

Logique.

Parce que les ordinateurs quantiques peuvent simuler des états simultanément, ils peuvent considérer plusieurs configurations à la fois - et traiter une quantité extraordinaire d'informations.

En fait, il peut stocker de façon exponentielle 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 - lorsque vous ajoutez un seul qubit.

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

Dans une situation où 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 est-ce que je m'en soucie.

Tout au long de cet article, j'ai fait cette chose vraiment désordonnée appelée «être vraiment vague», et je n'ai en fait défini aucun problème que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre (et les ordinateurs quantiques peuvent).

Je pense qu'il est temps de résoudre ce problème.

Considérons 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 scolaires doivent gérer… mais réalisez ceci: les molécules constituent tous les matériaux autour de nous.

Cela laisse une large place aux applications de la simulation moléculaire.

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

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

C'est une durée de vie pour certains et un luxe pour d'autres qui n'ont pas 12 ans à attendre un médicament qui pourrait même ne pas restaurer leur santé.

12 ans et au moins 648 millions de dollars (à 2,7 milliards de dollars) pour la légère chance que vous puissiez être guéri d'une maladie dont vous ne voulez probablement pas.

La légère chance pourrait en valoir la peine pour vous, mais je suis intéressé à combler cet écart d'opportunité.

Modèles de produits chimiques

Aujourd'hui, nous essayons de créer des médicaments qui sauvent des vies en utilisant des modélisateurs chimiques.

Ces modèles de produits chimiques tentent continuellement la création de composés en étant forcés d'approximer le comportement d'une molécule inconnue, puis en la testant dans le monde réel pour voir si elle fonctionne comme prévu.

Ce va-et-vient constant est à la fois long et gourmand en 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 toutes ces pratiques croisées en classe de chimie, cela peut sembler assez facile. Mais pour vraiment connaître l'état fondamental d'une molécule, vous devez considérer plus que l'équilibrage d'une équation de squelette:

  • comment chaque électron de 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 à mesure que la taille de la molécule augmente.

Nos cerveaux binaires et nos ordinateurs ne peuvent pas produire une configuration optimale en un temps raisonnablement utile.

Il y a même un mot pour cela: le temps polynomial. Le poly-temps est le temps qu'il faut à un ordinateur classique pour résoudre un problème.

Nous utilisons l'idée de `` pouvoir calculer un problème en poly-temps '', car oui - les ordinateurs classiques peuvent en fait simuler des molécules - cela leur prendra juste un temps atroce pour le faire.

Même les supercalculateurs les plus puissants aujourd'hui (qui sont assez super) peinent très rapidement à simuler une molécule avec 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 censés être. Et les ordinateurs quantiques sont cool.

Beaucoup de gens pensent que la montée en puissance des ordinateurs quantiques signifie que vous aurez un ordinateur à 16 quits 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 aussi 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 intrinsèque des ordinateurs conventionnels, ils ne peuvent pas calculer certaines configurations. Et à cause de cet article, vous savez maintenant pourquoi.

Contrairement à ce que croyait M. Bohr, il est en fait important de comprendre comment quelque chose d'aussi inobservable qu'un mouvement d'électrons se produit.

Les molécules constituent le matériau qui nous entoure, et si nous voulons optimiser la façon dont nous utilisons nos ressources… nous ne pouvons pas continuer à faire ce qui n'a pas fonctionné - en utilisant des ordinateurs classiques pour simuler des matériaux pour l'innovation. Nous devons investir dans l'efficacité.

Je sais que je n'ai pas vraiment expliqué comment les ordinateurs quantiques s'y prendront - mais croyez-moi, ça s'en vient. Je ne voulais pas vous ennuyer avec une explication mathématique pour laquelle certains d'entre vous ne seraient peut-être pas ici.

Restez à l'écoute pour des choses passionnantes:

  • LinkedIn
  • Moyen:
  • Twitter:
  • DM pour rejoindre ma newsletter