المجموعات

خوارزميات الكم ومستقبل الحوسبة ما بعد الكلاسيكية

خوارزميات الكم ومستقبل الحوسبة ما بعد الكلاسيكية

هذه هي المقالة الأخيرة في سلسلة من سبعة أجزاء حول الخوارزميات والحساب ، والتي تستكشف كيف نستخدم الأرقام الثنائية البسيطة لتشغيل عالمنا. المقال الأول ، كيف تدير الخوارزميات العالم الذي نعيش فيه، يمكن العثور عليها هنا.

بصفتي شيخًا من جيل الألفية ، فقد بلغت سن الرشد كأهم اختراع بشري منذ أن بدأت العجلة بالظهور في علب بريدنا في منتصف التسعينيات: أقراص مضغوطة للبرامج تقدم تجارب مجانية لخدمات مثل أمريكا أون لاين, كمبيوسيرفو و معجزة. جاءت تلك الخطوات الاستكشافية الأولى في هذا الفضاء الرقمي الثوري عندما كنا كبارًا بما يكفي لنتذكر بوضوح الحياة قبل الإنترنت ولكننا ما زلنا صغارًا بما يكفي لاحتضان التكنولوجيا بطرق لم يستطع آباؤنا ذلك.

لقد قمنا بكل سرور بتشغيل فواتير بطاقة ائتمان بقيمة ألف دولار على غرف الدردشة ولوحات الرسائل والمراسلة الفورية ومحتويات الإنترنت الأساسية الأخرى - هذا مناسب للأطفال ، في ذلك الوقت كان علينا دفع ثمن الإنترنت كل ساعة--ولكن كانت هذه مشكلة أمي وأبي ، فقد كان لدينا انتقال كامل لتغيير الحضارة للمشاركة فيه. عادةً ما يستغرق التقدم التحويلي على نطاق عالمي وقتًا ، حتى أجيال ، لتحقيقه ولكننا نجحنا في تحقيقه في أقل من عقد من الزمن وقضينا عقدًا آخر في دفع حدود ما كان ممكنًا باستخدام جهاز كمبيوتر واتصال بالإنترنت ، ولسوء الحظ ، بدأنا نلعب بهذه الحدود بسرعة كبيرة.

صعود وانحدار الكمبيوتر الكلاسيكي

لجميع المقاصد والأغراض ، الإنترنت هو قوة الحوسبة الكلاسيكية. مرتبطين معًا ، مليارات أجهزة الكمبيوتر من كل شكل وحجم يتعاونون من خلال الخوارزميات وإشارات الراديو وكابل الألياف الضوئية لإنتاج أسلوب حياة فريد من نوعه على حد علمنا في الكون. والأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو أن الحوسبة الكلاسيكية أنجزت هذا في أقل من جيلين من البشر ، وهو معدل من التقدم التكنولوجي لم يسبق له مثيل في التاريخ.

ذات صلة: ما الذي سيتغير الحوسبة الكمية بالضبط؟

إلى عن على 40 سنة، قاد قانون مور التقدم البشري غير المسبوق في حقبة ما بعد الحرب ، لكن شريحة الكمبيوتر المصنوعة من السيليكون هي مادة فيزيائية ، لذا فهي محكومة بقوانين الفيزياء والكيمياء والهندسة. بعد تصغير الترانزستور في دائرة متكاملة إلى مقياس نانوي ، لا تستطيع الترانزستورات الاستمرار في التقلص كل عامين. مع مليارات المكونات الإلكترونية محفوراً في رقاقة مربعة صلبة من السيليكون لا تزيد عن 2 بوصة واسعة، يمكنك حساب عدد الذرات التي تتكون منها كل ترانزستورات.

مشاكل إنتل الأخيرة مع الثغرات الأمنية الصارخة في معالجاتهم هي نتيجة مباشرة لمحاولة المهندسين التوصل إلى طرق مبتكرة لتحسين أداء المعالج وسرعته عندما لا يكون من الممكن تحسين الدائرة المتكاملة نفسها فعليًا. كما تقلصت الترانزستورات إلى مجرد 7 نانومتر منذ فترة طويلة ، أوصلنا المهندسون إلى النقطة التي تستخدم فيها الترانزستورات أقل عدد ممكن من الذرات لبناء مكون عامل. أي أصغر ، وسوف تنهار السلامة الهيكلية للترانزستور بسرعة وتفقد قدرتها على احتواء وتوجيه التيار الكهربائي الذي ينقل المعلومات التي تجعل أجهزة الكمبيوتر قوية للغاية.

لم تكن أجهزة الكمبيوتر أبدًا أسرع أو أكثر رشاقة عندما يتعلق الأمر بتبديل ومعالجة التيار الكهربائي الذي يشغل عملياتها ، ولكن لا يمكنك جعل الإلكترونات تتحرك بسرعة غير تلك التي تحددها الوسيط الذي تنتقل خلاله . الطريقة الوحيدة "لتسريع" تدفق الإلكترونات هي تقليل المسافة التي يجب أن تقطعها بين البوابات المنطقية بحيث تنتج العمليات نتائج أسرع من ذي قبل ببضعة تريليون من الثانية ، وهو ما كنا نفعله من أجل 40 سنة.

معالجات الكمبيوتر الحديثة سريعة بلا شك ، لكنها للأسف ليست بالسرعة الكافية. على الرغم من قوته الهائلة ، فقد هُزم الكمبيوتر الكلاسيكي بشكل فعال من خلال الحقائق الرياضية للمشكلات المستعصية ولكنها بالغة الأهمية مثل التحسين وطي البروتين. تعني الطبيعة المتسلسلة لعمليات الكمبيوتر الكلاسيكية أنها ، بمفردها ، لن تكون قادرة على تجاوز معدل نمو يا (2ن) أو على!) مشكلة.

لا أحد يريد أن يقبل أن الركوب التكنولوجي المذهل الذي استمتعنا به على مدى نصف القرن الماضي يقترب من نهايته ، ولكن ما لم يتم العثور على خوارزميات يمكنها توفير اختصار حول معدل النمو هذا ، علينا أن ننظر إلى ما وراء الكمبيوتر الكلاسيكي إذا أردنا الحفاظ على وتيرتنا الحالية للتقدم التكنولوجي.

يبدو الضجيج حول الحوسبة ما بعد الكلاسيكية وكأنه يوتوبيا ، لكنه مبرر بشكل مدهش

الحوسبة الكمومية هي موضوع أخطأ الكثير من الناس ، بمن فيهم أنا ، في الماضي وهناك من يحذرون من الإيمان بشدة بقدرة الكمبيوتر الكمومي على تحريرنا من الطريق المسدود الحسابي الذي نحن عالقون فيه.

التكنولوجيا في مهدها وهناك عدد من الأسباب للشك في أننا سنرى على الإطلاق الكمبيوتر الكمي المكافئ لجهاز كمبيوتر Apple II المنزلي. إنها ليست مجرد كيوبتات عليك إتقانها ؛ سيتعين عليك أيضًا اكتشاف مادة قادرة على الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة وكذلك معرفة كيفية الحفاظ على بيئة داخلية للكيوبتات التي يجب أن تظل قريبة من الصفر المطلق قدر الإمكان.

إلى جانب ذلك ، فإن الغالبية العظمى من العمل الذي يحتاجه الكمبيوتر لن يتم إجراؤه على جهاز كمبيوتر كمي أسرع من أي جهاز تقليدي. العمليات المتسلسلة ليست من الأشياء التي صممت من أجلها أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، فبعد وقت طويل من وصول أجهزة الكمبيوتر الكمومية بالكامل ، سنظل نستخدم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية في المستقبل المنظور بينما من المحتمل أن تظل أجهزة الكمبيوتر الكمومية في مختبرات الشركات والمختبرات الوطنية مع خدمات المعالجة المقدمة من خلال الحوسبة السحابية على أساس خوارزمية حسب الخوارزمية.

بالنسبة لكل العمل المطلوب لإنشاء وحدات كيوبت في التراكب والحفاظ عليها ، فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لا تفعل الكثير من أي شيء في الوقت الحالي ، ومن المحتمل أن يظل هذا هو الحال لفترة أطول على الأقل. سوف يغفر لك التفكير في أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية عبارة عن مجموعة كبيرة من القبعة وليست ماشية ، ولكن هذا سيكون أيضًا وصفًا خاطئًا خطيرًا لحالة التكنولوجيا والتوضيح على أهمية ما ونحن نعلم بالفعل يقترب الآن من الأفق.

واحدة من نقاط القوة في النظم الرياضية هي قابليتها للإثبات بالمنطق. إذا تمكنا من إثبات صحة شيء ما منطقيًا ، فلن تتغير هذه الحقيقة أبدًا. هذا هو الشيء الذي يمنحنا الثقة لبناء الصواريخ والمركبات الفضائية التي يمكن قيادتها بدقة شديدة تقريبًا من مسافة أربعة مليارات ونصف المليار ميل ، ولهذا السبب يمكننا القول إن الحوسبة الكمومية لن تكون مجرد تحويل ، يمكننا إخبارك لماذا بالضبط.

خلال 25 عامًا منذ نشر بيتر شور أول خوارزمية كمومية - والتي أظهرت أنه يمكن إجراء التحليل الأولي للأعداد الصحيحة على أجهزة الكمبيوتر الكمومية في وقت متعدد الحدود - طور علماء الرياضيات وعلماء الكمبيوتر خوارزميات كمومية أخرى تعالج المشكلات التي كافحت أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لحلها . من بين تلك العشرات من الخوارزميات الكمومية ، العديد منها أسرع من الخوارزمية الكلاسيكية الأكثر كفاءة التي نعرفها وهي ممكنة فقط بسبب البيئة الكمومية الفريدة التي تعمل فيها.

كان من بين أهم الأعمال في مجال الحوسبة الكمومية إنشاء خوارزميات تحاكي أنظمة الكم المختلفة التي تظهر في كل شيء بدءًا من تقنية الليزر وحتى الطب. ستكون هذه الخوارزميات قادرة على التفوق في الأداء على محاكاة الحوسبة الكلاسيكية بهامش واسع. حاليًا ، الخوارزميات الكلاسيكية التي تقوم بالمحاكاة الجزيئية محدودة في أنواع الجزيئات التي يمكنها محاكاتها. عادةً ما تقتصر هذه الخوارزميات على الجزيئات التي تحتوي على أقل من 70 مدارًا دوارًا ، أي أكثر من ذلك ، وينمو تعقيد المحاكاة بسرعة بحيث يصبح صعب الحل.

وفي الوقت نفسه ، يمكن أن يمثل كيوبت واحدًا واحدًا من هذه المدارات بكفاءة كافية بحيث يكون الكمبيوتر الكمومي الذي يحتوي على 100 كيوبت فقط - يحتوي الكمبيوتر الكمومي D-Wave 2X على 1152 كيوبت ، على الرغم من أنه تم إنشاؤه لتشغيل خوارزمية مكانية ، وليس كغرض عام الكمبيوتر الكمي - سيسمح بالمحاكاة الجزيئية التي لا تقترب أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية من القدرة على المحاكاة وربما لن تفعل ذلك أبدًا. يمكن أن تكشف عمليات المحاكاة هذه عن جميع أنواع المركبات غير المعروفة سابقًا والتي يمكن أن توفر علاجات جديدة لأي عدد من الأمراض.

توجد خوارزميات كمومية لكل شيء بدءًا من عمليات البحث المتعمقة أولاً والمشي الكمي على الرسم البياني إلى حل أنظمة المعادلات الخطية والمعادلات التفاضلية وحتى إحراز تقدم في فئات معينة من مشكلات التحسين ، مثل التحسين الكيميائى. ومع ذلك ، فإن ما تفتقر إليه هذه الخوارزميات هو جهاز كمبيوتر كمي قوي بما يكفي مع كيوبتات كافية لتشغيلها.

لن يكون هذا هو الحال إلى الأبد ، على الرغم من ذلك ، وعندما يحين الوقت لإخراج هذه الخوارزميات من الرف وتشغيلها ، فإن بعض المشكلات الأكثر صعوبة وإحباطًا ومعقدة بشكل مضاعف في الأعمال والإدارة والطب ، الهندسة ، وسيتم حل المزيد في وقت فائق الحدود أو أسرع. هذه المكاسب هي الصفقة الحقيقية وهي مضمونة بمنطقهم للعمل ؛ السؤال الوحيد هو كم من الوقت سيستغرق وصول أجهزة الكمبيوتر هذه.

إعادة تعريف الكمبيوتر لعصر ما بعد الكلاسيكية

إن المشكلة التي تواجه أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية في المستقبل هي مشكلة جوهرية في الطبيعة الإلكترونية لأجهزة الكمبيوتر نفسها. بالتطور من الدوائر الإلكترونية البسيطة ، تستخدم أجهزة الكمبيوتر منهجية حسابية محددة جدًا لحل المشكلات ، وبالتالي فهي مقفلة بشكل دائم في نموذج حساب الأرقام الثنائية المتسلسل الذي تستخدمه الإلكترونيات لأكثر من قرن. المكانة المهيمنة لهذا النموذج في تقنيتنا لا تعني أنها الطريقة الوحيدة لإجراء العمليات الحسابية.

تُظهر Spintronics ، التي تستخدم دوران الإلكترونات والخصائص المغناطيسية التي ينتجها هذا الدوران ، أكثر وعدًا كآلية تخزين نظرًا لمقاومة الاضطرابات المغناطيسية الخارجية ، وهو النوع الذي يمكنه محو الأقراص الصلبة بأكملها التي تعتمد على تكنولوجيا تخزين البيانات المغناطيسية الحالية .

تشير الصفات المغناطيسية للإلكترونات أيضًا إلى أنه يمكن بناء ترانزستور سبينتروني شبه موصل يمكنه إعادة قانون مور إلى الحياة ، على الأقل لفترة من الوقت. قد تكون الذرات صغيرة ، لكنها كلها نواة تقريبًا. وفي الوقت نفسه ، فإن الإلكترونات التي تدور حول النواة هي أوامر من حيث الحجم أصغر من الذرة نفسها ، لذلك يجب أن يكون من الممكن تجميع آلاف المرات من الترانزستورات الإلكترونية على رقائق السيليكون الحالية ، مما يمنح أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية الفرصة للالتفاف على قانون الفيزياء بأكمله و مشكلة الكيمياء.

بالابتعاد عن هوسنا برقائق السيليكون ، هناك مجال رئيسي آخر للأبحاث الحاسوبية التي تحمل قدرًا لا يصدق من الإمكانات. قد تبدو حوسبة الحمض النووي محيرة وربما غريبة بعض الشيء للوهلة الأولى ، ولكن إذا فكرت في الأمر ، فهي مرشح واضح لأبحاث وتطوير الحوسبة ما بعد الكلاسيكية.

منذ أن قامت الخيوط الأولى من الحمض النووي بتشفير التعليمات الخاصة بإنشاء وتشغيل الكائنات وحيدة الخلية ، فقد نمت لتصبح آلية قوية لنقل البيانات وتخزينها ، لكن الباحثين الآن يتعمقون في اللبنات الأساسية الفردية للحمض النووي نفسه ، وإمكانية اعتبارها آلية حسابية في حد ذاتها.

أظهرت الأبحاث [PDF] أن الأحماض الأمينية الأربعة المتميزة - A و T و C و G - التي تعمل بمثابة اللبنات الأساسية للحمض النووي يمكن إعادة توظيفها لتعمل كقطع قابلة للتشفير. عند مزجها ، تتجمع هذه الأحماض الأمينية ذاتيًا بشكل طبيعي في خيوط من الحمض النووي وليس فقط أي DNA ولكن جميع التباديل المختلفة للحمض النووي الممكنة مع المواد المتاحة.

يُعد هذا ابتكارًا من المحتمل أن يغير قواعد اللعبة نظرًا لأن إجراء العمليات على تراكب الكيوبت ليس هو نفس الشيء مثل الحوسبة المتوازية الحقيقية. ستمنحك أجهزة الكمبيوتر الكمومية ناتجًا واحدًا فقط ، إما قيمة أو حالة كمية ناتجة ، لذا فإن حلها للمشكلات ذات التعقيد الزمني الأسي أو العامل سيعتمد كليًا على الخوارزمية المستخدمة.

ومع ذلك ، فإن حوسبة الحمض النووي تسخر قدرة هذه الأحماض الأمينية على بناء وتجميع نفسها في خيوط طويلة من الحمض النووي. امزج هذه الأحماض الأمينية ، وسوف تتراكم بشكل طبيعي لتصبح أطول وأكثر تعقيدًا التباديل من المجموعة من الأحماض الأمينية. إذا كنت تتابع السلسلة ، فيجب أن تكون هذه الكلمات قد قفزت إليك. التقليب هو عملية ذات تعقيد زمني عاملي ، وهو التحدي الأساسي الذي يجب التغلب عليه إذا أردنا حل مشكلة NP كاملة. التباديل هي كل شيء الاقوي، وهو محتمل أكثر مما سيجده الكمبيوتر الكمي الاقوي تتجاوز قدرتها على حلها.

هذا ما يجعل حوسبة الحمض النووي مثل هذا التطور الجديد المثير. إذا قمنا بترميز اسم مدينة في مشكلة البائع المتجول كمزيج من الأحماض الأمينية ورمي كل هذه الأحماض الأمينية في دورق ، بمجرد أن تبدأ في التجميع الذاتي في خيوط من الحمض النووي ، فإن الحل الصحيح لمشكلة البائع المتجول سوف تنمو عضويا خارج هذه العملية.

في أقل من دقيقة ، سيكون حل مشكلة البائع المتجول جالسًا في هذا الدورق على شكل خيط من الحمض النووي ، ويصبح التحدي هو إيجاد طريقة لتصفية الإجابات الخاطئة حتى نتمكن من عزل هذا الحل الأمثل. إن تصفية عدد لا يحصى من خيوط الحمض النووي غير الصحيحة للعثور على الشكل الأمثل ليست مهمة سهلة ، دون شك ، ولكنها أيضًا ليس مشكلة تباديل كل خيط ممكن من الحمض النووي. كما رأينا في خوارزمية شور ، أحيانًا يكون مفتاح إيجاد حل لمشكلة مستعصية هو تحويلها إلى مشكلة مكافئة يسهل حلها.

بينما لا يزال هذا أمرًا صعبًا من الناحية الحسابية ، إلا أنه أبسط بكثير من عمليات الإجبار الوحشية والتحقق من صحة الخاتمة للعثور على أفضل طريق يسلكه مندوب المبيعات لدينا. ستكشف الأبحاث الجارية حول حوسبة الحمض النووي في الوقت المناسب فعاليتها الحقيقية ، لكن سلاسل الحمض النووي ذاتية التجميع تقدم وعدًا بحوسبة موازية حقيقية ، وهو أمر لا تستطيع حتى الحوسبة الكمومية ادعاءه.

نحن نقترب بسرعة من أفق الحدث التكنولوجي

من المحتمل تمامًا أنه قبل أن نرى أيًا من هذا ، سينتهي الأمر بالبشرية إلى قصف نفسها في عصر مظلم جديد يستغرق آلاف السنين للتعافي منه.

من المهم أن نتذكر أنه على الرغم من أن التقدم غير مضمون ، فإن التغيير دائمًا ما يكون ، ونوع التراجع التكنولوجي والعلمي الذي يمثله هذا العصر المظلم الجديد هو المقارنة الوحيدة التي يمكنني إجراؤها والتي تجسد حجم التغيير الذي قد يأتي من الانتقال إلى عصر ما بعد الكلاسيكية.

تقترب البشرية بصدق من أفق الحدث التكنولوجي. هناك شيء ما على الجانب الآخر من الانقسام الكلاسيكي - ما بعد الكلاسيكي ، ومن المحتمل أن يكون أكبر بكثير مما يبدو من هنا ، وأي توقع حول ما سنجده بمجرد المرور به يكون جيدًا مثل أي توقع آخر .

في حين أنه قد يكون من الممتع التكهن بشأن تطورات معينة ، فإن ما سيكون مهمًا في النهاية أكثر من أي تقدم واحد هو أوجه التآزر التي تنتجها هذه التطورات المختلفة التي تعمل معًا. تشتهر أوجه التآزر بأنها أكبر من مجموع أجزائها ، ولكن ماذا يعني ذلك عندما تكون أجزائك عبارة عن blockchain وشبكات 5G وأجهزة الكمبيوتر الكمومية والذكاء الاصطناعي المتقدم؟

مهما كان الأمر في النهاية ، فإنه سيعيد تعريف الحساب كما نعرفه وستكون الآثار المترتبة على الأنظمة الجديدة التي سننشئها من خلال دمج هذه النماذج المختلفة هائلة لدرجة أن الشيء الوحيد الذي أعرفه على وجه اليقين هو أن انتقالنا إلى ما بعد- يضمن العالم الكلاسيكي أن يكون رحلة في اتجاه واحد.


شاهد الفيديو: Lecture 9 - Quantum physics (شهر اكتوبر 2021).