Com a organização correta de transistores e circuitos lógicos, quase tudo pode ser feito! Ou não é?
Os processadores modernos são uma obra de arte tecnológica, por trás da qual estão muitas dezenas, senão centenas de anos de pesquisa fundamental. E este é um dos aparelhos mais high-tech da história da humanidade! Já falamos sobre eles mais de uma vez, lembre-se pelo menos do processo de sua criação!
Os processadores estão em constante evolução, as capacidades estão crescendo, a quantidade de dados está aumentando, os centros de dados modernos lidam com centenas de petabytes de dados (10 elevado à 15ª potência = 1.000.000.000.000.000 bytes). Mas e se eu dissesse que, na verdade, nem todos os nossos computadores são onipotentes!
Por exemplo, se estamos falando de BigData (big data), então computadores comuns podem levar anos, ou mesmo milhares de anos para processar os dados, calcular a opção desejada e produzir o resultado.
E é aqui que os computadores quânticos entram em jogo. Mas o que são realmente computadores quânticos? Como eles são diferentes dos comuns? Eles são realmente tão poderosos? O CS: GO vai para 100 mil FPS com eles?
Um pequeno começo - vamos contar como qualquer um de vocês pode tentar usar um computador quântico hoje!
Fique à vontade, sirva o chá, será interessante.
Capítulo 1. Por que os computadores comuns são ruins?
Vamos começar com um exemplo clássico muito simples.
Digamos que você tenha o supercomputador mais poderoso do mundo. Este é o computador de Fugaku. Seu desempenho é de 415 PetaFlops.
Vamos dar a ele o seguinte problema: precisamos distribuir três pessoas em dois carros-táxi. Quantas opções nós temos? É fácil entender que existem 8 dessas opções, ou seja, é 2 * 2 * 2 ou 2 no terceiro grau.
Com que rapidez nosso supercomputador realizará essa tarefa? Imediatamente! A tarefa é elementar.
Agora vamos pegar 25 pessoas e colocá-las em duas limusines luxuosas, temos 2 elevado a 25º, ou 33.554.432 opções. Acredite em mim, esse número também é uma questão insignificante para nosso supercomputador.
E agora 100 pessoas e 2 ônibus, quantas opções?
Considere: 2 elevado à centésima potência é aproximadamente 1,27 x 1030 ou 1.267.650.600.228.229.401.496.703.205.376 opções.
Agora, nosso supercomputador precisará de cerca de 4,6 * 10 ^ + 35 (4,6 x 10 elevado à 35ª potência) anos para classificar todas as opções. E isso já é muito, muito mesmo. Esse cálculo levará mais tempo do que o total de vidas de centenas de universos.
As vidas totais do nosso universo: 14 bilhões de anos, ou 14 por 10 elevado à 9ª potência.
Mesmo se unirmos todos os computadores do mundo para resolver um problema aparentemente simples, como acomodar 100 pessoas em 2 ônibus - teremos uma solução, quase nunca!
E o que? Tudo? Sem saída?
Sim, porque os computadores quânticos serão capazes de resolver esse problema em segundos!
E acredite em mim - eles não serão usados para acomodar 100 pessoas em 2 ônibus!
Capítulo 2. Comparação. Bits e Qubits
Vamos ver qual é a diferença fundamental.
Sabemos que um processador clássico consiste em transistores e eles podem passar ou não a corrente, ou seja, estar no estado 1 ou 0 - este é o BIT de informação. A propósito, recomendo assistir nosso vídeo sobre como funcionam os processadores.
Vamos voltar ao nosso exemplo com dois táxis e três pessoas. Cada pessoa pode estar em uma ou em outra máquina - 1 ou 0.
Aqui estão todos os estados:
Para resolver o processador, é necessário percorrer absolutamente todas as opções uma a uma e selecionar aquelas que se encaixam nas condições dadas.
Os bits também são usados em computadores quânticos, apenas os quânticos, e são fundamentalmente diferentes dos transistores comuns.
Eles são chamados de Quantum Bits ou Qubits.
O que são qubits?
Qubits são objetos quânticos especiais, tão pequenos que já obedecem às leis do mundo quântico. Sua principal propriedade é que eles são capazes de estar simultaneamente em 2 estados, ou seja, em um estado especial - superposição.
Na verdade, essa é a diferença fundamental entre qubits e bits comuns, que só podem ser 1 ou 0. A
superposição é incrível. Considere que os qubits são uma porta aberta e fechada, ou uma lâmpada acesa e não acesa ....
No nosso caso, eles são 1 e 0!
Mas a mecânica quântica nos diz que um objeto quântico, isto é, um qubit, está em superposição até que você o mede. Lembre-se de uma moeda - este é um exemplo perfeito de superposição - enquanto ela está no ar é cara e coroa, mas assim que eu a pego - tudo: cara ou coroa! A condição foi determinada.
Devemos entender que esses qubits e seu comportamento não são escolhidos por acaso - esses sistemas quânticos são definidos de forma muito estrita e seu comportamento é conhecido. Eles obedecem às leis da mecânica quântica!
Computador quântico dentro
Falando do próprio dispositivo, se estamos acostumados com semicondutores e silício em processadores comuns, então, no caso dos computadores quânticos, as pessoas ainda estão procurando quais objetos quânticos são mais bem usados para fazê-los agir como qubits. Agora existem várias opções - podem ser elétrons com seu próprio spin ou, por exemplo, fótons e sua polarização. Existem muitas opções.
E esta está longe de ser a única dificuldade enfrentada pelos cientistas! A questão é que os qubits quânticos são bastante instáveis e devem ser mantidos em um local fresco para serem controlados.
E se você acha que o resfriamento de água da sua unidade de sistema será suficiente para isso, você está parcialmente certo, apenas se você enchê-la com Hélio líquido, cuja temperatura está abaixo de menos duzentos e setenta graus Celsius! E para obtê-lo, esses barris saudáveis são usados.
Na verdade, os computadores quânticos são alguns dos lugares mais frios do universo!
Como funciona um computador quântico
Vamos voltar ao nosso problema sobre três pessoas e duas máquinas e considerá-lo do ponto de vista de um computador quântico:
para resolver tal sistema, precisamos de um computador com 3 qubits.
Lembra que o computador clássico teve que passar por todas as opções uma a uma? Assim, como os qubits possuem estados "1" e "0" ao mesmo tempo, ele pode passar por todas as opções, na verdade, simultaneamente!
Eu sei que vai soar o mais estranho possível, mas imagine que, nesta situação, nossos três qubits criam 8 mundos paralelos diferentes, em cada um dos quais há uma solução, e então todos eles se juntam em um! Realmente "Avengers" alguns!
Mas o que acontece? Ele dá todas as opções de uma vez, mas como conseguir a correta?
Existem operadores matemáticos especiais para isso, como o operador Groover, que nos permite determinar os resultados corretos de cálculos de sistemas quânticos! Esta é uma função especial que, entre todas as opções possíveis, encontra a que necessitamos.
Lembra do quebra-cabeça de cerca de 100 pessoas em 2 ônibus, que todos os computadores modernos juntos não conseguiam resolver? Para um computador quântico com 100 qubits, esse quebra-cabeça é como clicar em uma semente! Ou seja, o computador está simultaneamente na potência de 2 ao centésimo estado, a saber:
1.267.650.600.228.229.401.496.703.205.376 - são quantos estados ao mesmo tempo! Muitos mundos paralelos!
Você acha que tudo isso parece bom demais para ser verdade? Sim você está certo. Existem muitas nuances e limitações. Por exemplo, um erro. O problema é que os qubits, ao contrário dos bits normais, não são estritamente definidos.
Eles têm uma certa probabilidade de estar no estado 1 ou 0. Portanto, há uma probabilidade de erro, e quanto mais qubits no sistema, maior a probabilidade total de que o sistema dê uma resposta incorreta. Portanto, muitas vezes é necessário realizar vários cálculos do mesmo problema para obter a resposta correta.
Bem, isto é, quão fiel? Sempre conterá uma possibilidade mínima de erro devido à sua natureza quântica complexa, mas pode se tornar insignificante simplesmente executando os cálculos muitas vezes!
Computadores quânticos hoje
Agora vamos para o mais interessante - qual é o estado do computador quântico agora? E então eles de alguma forma não são observados nas prateleiras das lojas!
Na verdade, tudo o que descrevi acima não é tão fantástico. Computadores quânticos já estão entre nós e já estão funcionando. Eles são desenvolvidos por GOOGLE, IBM, INTEL, MICROSOFT e outras empresas menores. Além disso, todo grande instituto tem grupos de pesquisa que desenvolvem e pesquisam computadores quânticos.
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Sundar Pichai e Daniel Sank com computador quântico Google. Outubro de 2019 [/ caption]
Em outubro passado, na revista Nature, o Google postou um artigo que atingiu o mundo com grandes manchetes - EXCELÊNCIA QUÂNTICA!
O Google criou um computador quântico com 53 qubits e foi capaz de resolver um problema em 200 segundos, que um computador normal levaria 10.000 anos para resolver!
Claro, a IBM ficou muito ofendida e eles começaram a dizer que a tarefa era muito especial, e geralmente não 10.000 anos, mas 2,5 dias, mas o fato permanece - a superioridade quântica foi alcançada até certo ponto!
Portanto, agora a questão é, em questão de anos, quando os computadores quânticos começarão a ser usados em todos os lugares! A IBM, por exemplo, acaba de anunciar que construirá um computador quântico comercial com 1.121 qubits em 2023!
Para você entender, a calculadora do Google nem conta quanto será 2 à potência de 1121, mas simplesmente diz - infinito! E este não é o limite de forma alguma.
O desenvolvimento de computadores para milhões de qubits já está em andamento - eles irão revelar o verdadeiro potencial da computação quântica.
Além disso, você pode tentar a computação quântica agora mesmo! A IBM oferece acesso baseado em nuvem para os computadores quânticos mais avançados. Você pode explorar, desenvolver e executar programas usando o IBM Quantum Experience .
Mas por que precisamos de computadores quânticos e onde eles serão usados?
Naturalmente, não para empurrar pessoas nos ônibus.
Existem muitas tarefas. O principal são os bancos de dados e a busca neles, trabalhar com BigData se tornará incrivelmente rápido. Shazam, roteamento, redes neurais, inteligência artificial terão um impulso incrível! Além disso, simule e simule sistemas quânticos! Por que isso é necessário - você pergunta?
Isso é muito importante, pois será possível construir modelos da interação de compostos protéicos complexos.
Este será um passo muito importante para a medicina, abrindo um campo simplesmente alucinante para a criação de drogas futuras, compreendendo como os diferentes vírus nos afetam e assim por diante. O espaço é enorme!
Para lhe dar uma ideia aproximada de como isso é difícil, voltaremos ao exemplo da moeda. Imagine que você precise modelar com antecedência o que surge - cara ou coroa.
É necessário levar em consideração a força do arremesso, a densidade do ar, a temperatura e vários outros fatores. Complicado? Bem, não é assim!
Agora imagine que você não tem uma pessoa jogando uma moeda, mas um milhão de pessoas diferentes, em lugares diferentes, jogando moedas de maneiras diferentes. E você precisa calcular o que acontecerá com todos! É sobre o quão complexo é esse modelo de interações de proteínas.
Além disso, você provavelmente já ouviu que os computadores quânticos tornarão nossas senhas mais fáceis que você pode adivinhar em segundos. Mas este é um assunto completamente diferente ...
Conclusão
Que conclusão podemos tirar de tudo isso, um computador quântico é um sistema fundamentalmente novo. Ele difere dos computadores comuns na própria base sobre a qual opera.
Eles realmente não podem ser comparados! É como comparar o ábaco com os computadores modernos!
E é claro que há grandes dúvidas de que algum dia você poderá ir até a loja e comprar seu pequeno processador quântico. Mas você não precisa deles. Para um usuário comum, os computadores quânticos se tornarão como modernos data centers, ou seja, nossos assistentes invisíveis que estão localizados longe e que simplesmente tornam nossa vida melhor ou pelo menos diferente!