Con la organización correcta de transistores y circuitos lógicos, ¡se puede hacer casi cualquier cosa! ¿O no es así?
Los procesadores modernos son una obra de arte tecnológico, detrás de la cual hay muchas decenas, si no cientos de años de investigación fundamental. ¡Y este es uno de los dispositivos de más alta tecnología en la historia de la humanidad! Ya hemos hablado de ellos más de una vez, ¡recuerda al menos el proceso de su creación!
Los procesadores están en constante evolución, las capacidades aumentan, la cantidad de datos aumenta, los centros de datos modernos manejan cientos de petabytes de datos (10 a la 15ª potencia = 1,000,000,000,000,000 bytes). Pero, ¿y si dijera que, de hecho, todas nuestras computadoras no son omnipotentes en absoluto?
Por ejemplo, si hablamos de BigData (big data), las computadoras comunes pueden tardar años, o incluso miles de años, en procesar los datos, calcular la opción deseada y producir el resultado.
Y aquí es donde entran en juego las computadoras cuánticas. Pero, ¿qué son realmente las computadoras cuánticas? ¿En qué se diferencian de los ordinarios? ¿Son realmente tan poderosos? ¿CS: GO llegará a 100 mil FPS con ellos?
Un pequeño comienzo: ¡les diremos cómo cualquiera de ustedes puede intentar usar una computadora cuántica hoy!
Póngase cómodo, sirva té, será interesante.
Capítulo 1. ¿Por qué las computadoras comunes son tan malas?
Comencemos con un ejemplo clásico muy simple.
Digamos que tienes la supercomputadora más poderosa del mundo. Esta es la computadora de Fugaku. Su rendimiento es de 415 PetaFlops.
Démosle el siguiente problema: tenemos que distribuir a tres personas en dos taxis. Cuantas opciones tenemos? Es fácil entender que hay 8 opciones de este tipo, es decir, es 2 * 2 * 2 o 2 al tercer grado.
¿Qué tan rápido manejará nuestra supercomputadora esta tarea? ¡Instantáneamente! La tarea es elemental.
Ahora tomemos a 25 personas y colóquelas en dos lujosas limusinas, obtenemos 2 en el grado 25, o 33,554,432 opciones. Créame, este número también es un asunto insignificante para nuestra supercomputadora.
Y ahora 100 personas y 2 autobuses, ¿cuántas opciones?
Considere: 2 elevado a la potencia 100 es aproximadamente 1.27 x 1030 o 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376 opciones.
Ahora nuestra supercomputadora necesitará aproximadamente 4,6 * 10 ^ + 35 (4,6 x 10 elevado a 35) años para clasificar todas las opciones. Y esto ya es muchísimo. Este cálculo llevará más tiempo que la vida total de cientos de universos.
La vida total de nuestro universo: 14 mil millones de años, o 14 por 10 elevado a la novena potencia.
Incluso si unimos todas las computadoras del mundo para resolver un problema aparentemente simple como sentar a 100 personas en 2 autobuses, obtendremos una solución, ¡casi nunca!
¿Y qué? ¿Todo? ¿Sin salida?
Sí, ¡porque las computadoras cuánticas podrán resolver este problema en segundos!
Y créanme, ¡no se utilizarán en absoluto para acomodar a 100 personas en 2 autobuses!
Capítulo 2. Comparación. Bits y Qubits
Veamos cuál es la diferencia fundamental.
Sabemos que un procesador clásico consta de transistores y pueden pasar o no pasar corriente, es decir, estar en un estado de 1 o 0; este es el BIT de información. Por cierto, recomiendo ver nuestro video sobre cómo funcionan los procesadores.
Volvamos a nuestro ejemplo con dos taxis y tres personas. Cada persona puede estar en una o en otra máquina - 1 o 0.
Aquí están todos los estados:
Para resolver el procesador, es necesario pasar por absolutamente todas las opciones una por una y seleccionar aquellas que se ajusten a las condiciones dadas.
Los bits también se utilizan en computadoras cuánticas, solo cuánticas y son fundamentalmente diferentes de los transistores ordinarios.
Se llaman Quantum Bits o Qubits.
¿Qué son los qubits?
Los qubits son objetos cuánticos especiales, tan pequeños que ya obedecen las leyes del mundo cuántico. Su principal propiedad es que son capaces de estar simultáneamente en 2 estados, es decir, en un estado especial: superposición.
De hecho, esta es la diferencia fundamental entre qubits y bits ordinarios, que solo pueden ser 1 o 0. La
superposición es asombrosa. Considere que los qubits son una puerta abierta y cerrada, o una bombilla encendida y no encendida ...
En nuestro caso, ¡son 1 y 0!
Pero la mecánica cuántica nos dice que un objeto cuántico, es decir, un qubit, está en superposición hasta que lo mides. Recuerde una moneda, este es un ejemplo perfecto de superposición, mientras está en el aire es cara y cruz, pero tan pronto como la atrape, eso es todo: ¡cara o cruz! Se determinó la condición.
Necesitamos entender que estos qubits y su comportamiento no se eligen al azar; estos sistemas cuánticos están definidos de manera muy estricta y su comportamiento es conocido. ¡Obedecen las leyes de la mecánica cuántica!
Computadora cuántica en el interior
Hablando del dispositivo en sí, si estamos acostumbrados a los semiconductores y al silicio en los procesadores ordinarios, en el caso de las computadoras cuánticas, la gente todavía está buscando qué objetos cuánticos se utilizan mejor para hacer que actúen como qubits. Ahora hay muchas opciones: pueden ser electrones con su propio espín o, por ejemplo, fotones y su polarización. Hay muchas opciones.
¡Y esta está lejos de ser la única dificultad que enfrentan los científicos! El punto es que los qubits cuánticos son bastante inestables y deben mantenerse en un lugar fresco para controlarlos.
Y si cree que el enfriamiento por agua de la unidad de su sistema será suficiente para esto, en parte tiene razón, solo si lo llena con helio líquido, ¡cuya temperatura es inferior a menos doscientos setenta grados Celsius! Y para conseguirlo se utilizan barricas tan sanas.
De hecho, ¡las computadoras cuánticas son algunos de los lugares más fríos del universo!
Cómo funciona una computadora cuántica
Volvamos a nuestro problema de tres personas y dos máquinas y considérelo desde el punto de vista de una computadora cuántica:
para resolver tal sistema necesitamos una computadora con 3 qubits.
¿Recuerda que la computadora clásica tenía que pasar por todas las opciones una por una? Entonces, dado que los qubits tienen estados "1" y "0" al mismo tiempo, ¡podrá pasar por todas las opciones, de hecho, simultáneamente!
Sé que sonará lo más extraño posible, pero imagina que en esta situación, nuestros tres qubits crean 8 mundos paralelos diferentes, en cada uno de los cuales hay una solución, ¡y luego todos se juntan en uno! ¡Realmente algunos "Vengadores"!
Pero que pasa Él da todas las opciones a la vez, pero ¿cómo conseguir la correcta?
Hay operadores matemáticos especiales para esto, como el operador Groover, que nos permite determinar los resultados correctos de los cálculos de sistemas cuánticos. Esta es una función especial que, entre todas las opciones posibles, encuentra la que necesitamos.
¿Recuerda el acertijo de 100 personas en 2 autobuses, que todas las computadoras modernas juntas no pudieron resolver? Para una computadora cuántica con 100 qubits, ¡este rompecabezas es como hacer clic en una semilla! Es decir, la computadora está simultáneamente en 2 a la centésima potencia de estados, a saber:
1.267.650.600.228.229.401.496.703.205.376 - ¡esos son los estados al mismo tiempo! ¡Tantos mundos paralelos!
¿Crees que todo esto suena demasiado bueno para ser verdad? Sí, tiene usted razón. Hay muchos matices y limitaciones. Por ejemplo, un error. El problema es que los qubits, a diferencia de los bits normales, no están estrictamente definidos.
Tienen cierta probabilidad de estar en el estado 1 o 0. Por lo tanto, existe una probabilidad de error, y cuantos más qubits en el sistema, mayor es la probabilidad total de que el sistema dé una respuesta incorrecta. Por tanto, a menudo es necesario realizar varios cálculos del mismo problema para obtener la respuesta correcta.
Bueno, es decir, ¿qué tan fiel? Siempre contendrá la mínima posibilidad de error debido a su compleja naturaleza cuántica, ¡pero puede volverse insignificante simplemente ejecutando los cálculos muchas veces!
Las computadoras cuánticas hoy
Ahora pasemos a lo más interesante: ¿cuál es el estado de la computadora cuántica ahora? ¡Y luego de alguna manera no se ven en los estantes de las tiendas!
De hecho, todo lo que describí anteriormente no es tan fantástico. Las computadoras cuánticas ya están entre nosotros y ya están funcionando. Están desarrollados por GOOGLE, IBM, INTEL, MICROSOFT y otras empresas más pequeñas. Además, cada gran instituto tiene grupos de investigación que desarrollan e investigan computadoras cuánticas.
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Sundar Pichai y Daniel Sank con la computadora cuántica de Google. Octubre de 2019 [/ caption] En
octubre pasado, Google publicó un artículo en la revista Nature que llegó al mundo con grandes titulares: ¡EXCELENCIA CUÁNTICA!
Google creó una computadora cuántica con 53 qubits y pudo resolver un problema en 200 segundos, ¡lo que a una computadora convencional le tomaría 10,000 años resolverlo!
Por supuesto, IBM se ofendió mucho y comenzaron a decir que la tarea era demasiado especial, y generalmente no 10,000 años, sino 2,5 días, pero el hecho es que se ha logrado la superioridad cuántica hasta cierto punto.
Así que ahora la pregunta es, en cuestión de años, ¡cuándo las computadoras cuánticas comenzarán a usarse en todas partes! IBM, por ejemplo, acaba de anunciar que construirá una computadora cuántica comercial con 1.121 qubits en 2023.
Para que lo entiendas, la calculadora de Google ni siquiera cuenta cuánto es 2 elevado a la potencia 1121, sino que simplemente dice: ¡infinito! Y este no es el límite en absoluto.
El desarrollo de computadoras con millones de qubits ya está en marcha: revelarán el verdadero potencial de la computación cuántica.
Además, ¡puede probar la computación cuántica usted mismo ahora! IBM ofrece acceso basado en la nube a las computadoras cuánticas más avanzadas. Puede explorar, desarrollar y ejecutar programas utilizando IBM Quantum Experience .
Pero, ¿por qué necesitamos computadoras cuánticas y dónde se utilizarán?
Naturalmente, no para empujar a la gente en los autobuses.
Hay muchas tareas. Lo principal son las bases de datos y la búsqueda a través de ellas, trabajar con BigData será increíblemente rápido. ¡Shazam, enrutamiento, redes neuronales e inteligencia artificial obtendrán un impulso increíble! ¡También simule y simule sistemas cuánticos! ¿Por qué es esto necesario?
Esto es muy importante, ya que será posible construir modelos de interacción de compuestos proteicos complejos.
Este será un paso muy importante para la medicina, abriendo espacios simplemente alucinantes para la creación de futuros medicamentos, entendiendo cómo nos afectan los diferentes virus, etc. ¡El espacio es enorme!
Para darle una idea aproximada de lo difícil que es, volveremos al ejemplo de la moneda. Imagine que necesita modelar de antemano lo que aparece: cara o cruz.
Es necesario tener en cuenta la fuerza del lanzamiento, la densidad del aire, la temperatura y muchos otros factores. ¿Complicado? ¡Bueno, no es así!
Ahora imagina que no tienes a una persona lanzando una moneda, sino a un millón de personas diferentes, en diferentes lugares, lanzando monedas de diferentes maneras. ¡Y necesitas calcular lo que obtendrán todos! Eso es lo complejo que es este modelo de interacciones de proteínas.
Además, probablemente haya escuchado que las computadoras cuánticas harán que nuestras contraseñas sean muy fáciles de adivinar en segundos. Pero este es un tema completamente diferente ...
Conclusión
¿Qué conclusión podemos sacar de todo esto? Una computadora cuántica es un sistema fundamentalmente nuevo. Se diferencia de las computadoras ordinarias en la base misma sobre la que opera.
¡Realmente ni siquiera se pueden comparar! ¡Es como comparar el ábaco y las computadoras modernas!
Y, por supuesto, existen grandes dudas de que alguna vez puedas venir a la tienda y comprar tu pequeño procesador cuántico. Pero no los necesita. Para un usuario común, las computadoras cuánticas se convertirán en centros de datos modernos, es decir, en nuestros asistentes invisibles que se encuentran muy lejos y que simplemente hacen nuestra vida mejor o al menos diferente.