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Algorithmes quantiques et avenir de l'informatique post-classique

Algorithmes quantiques et avenir de l'informatique post-classique

Il s'agit du dernier article d'une série en sept parties sur les algorithmes et le calcul, qui explore comment nous utilisons des nombres binaires simples pour alimenter notre monde. Le premier article, Comment les algorithmes gèrent le monde dans lequel nous vivons, peut être trouvé ici.

En tant qu'ancien millénaire, je suis devenu majeur tout comme l'invention humaine la plus importante depuis que la roue a commencé à apparaître dans nos boîtes aux lettres au milieu des années 1990: des CD de logiciels offrant des essais gratuits pour des services comme Amérique en ligne, Compuserve, et Prodige. Ces premières étapes exploratoires dans cet espace numérique révolutionnaire sont survenues lorsque nous étions assez vieux pour nous souvenir clairement de la vie avant Internet, mais encore assez jeunes pour adopter la technologie d'une manière dont nos parents ne pouvaient pas.

Nous avons heureusement accumulé des factures de carte de crédit de mille dollars sur les forums de discussion, les babillards électroniques, la messagerie instantanée et d'autres contenus Internet primordiaux - c'est vrai les enfants, à l'époque, nous devions payer pour Internet À l'heure--mais c'était le problème de maman et papa, nous avons eu toute une transition changeante de civilisation à laquelle participer. Le progrès transformationnel à l'échelle mondiale prend normalement du temps, des générations même, à réaliser, mais nous l'avons réussi en moins de une décennie et passé une autre décennie à repousser les limites de ce qui était possible avec un ordinateur et une connexion Internet et, malheureusement, nous avons commencé à rencontrer ces limites assez rapidement.

L'essor et le déclin de l'ordinateur classique

À toutes fins utiles, Internet est le tour de force de l'informatique classique. En réseau, milliards d'ordinateurs de toutes formes et tailles collaborent grâce à des algorithmes, des signaux radio et des câbles à fibres optiques pour produire un mode de vie qui, à notre connaissance, est unique dans l'univers. Plus incroyable encore, l'informatique classique a accompli cela en moins de deux générations d'êtres humains, un rythme de progrès technologique sans précédent historique.

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Pour 40 ans, La loi de Moore a conduit le progrès humain sans précédent de l'après-guerre, mais une puce informatique en silicium est un matériau physique, elle est donc régie par les lois de la physique, de la chimie et de l'ingénierie. Après avoir miniturisé le transistor sur un circuit intégré à l'échelle nanoscopique, les transistors ne peuvent tout simplement pas continuer à devenir plus petits tous les deux ans. Avec milliards de composants électroniques gravé dans une plaquette carrée solide de silicium pas plus de 2 pouces de large, vous pouvez compter le nombre d'atomes qui composent les transistors individuels.

Les récents problèmes d'Intel avec des vulnérabilités de sécurité flagrantes dans leurs processeurs sont le résultat direct du fait que les ingénieurs doivent essayer de trouver des moyens créatifs d'améliorer les performances et la vitesse du processeur lorsqu'il n'est plus possible d'améliorer physiquement le circuit intégré lui-même. Comme les transistors ont diminué à juste 7 nanomètres depuis longtemps, les ingénieurs nous ont amenés au point où les transistors utilisent le moins d'atomes possible pour construire un composant fonctionnel. Tout plus petit, et l'intégrité structurelle du transistor se décomposerait rapidement et perdrait sa capacité à contenir et à diriger le courant électrique qui transmet les informations qui rendent les ordinateurs si puissants.

Les ordinateurs n'ont jamais été plus rapides ou plus agiles en ce qui concerne la commutation et la manipulation du courant électrique qui alimente ses opérations, mais vous ne pouvez tout simplement pas faire bouger les électrons à une vitesse autre que celle déterminée par le milieu dans lequel ils circulent. . Le seul moyen "d'accélérer" le flux d'électrons est de réduire la distance qu'il doit parcourir entre les portes logiques afin que les opérations produisent des résultats de quelques trillionièmes de seconde plus rapidement qu'auparavant, ce que nous faisons 40 ans.

Les processeurs informatiques modernes sont indéniablement rapides, mais malheureusement ce n'est pas assez rapide. Malgré sa puissance incroyable, l'ordinateur classique a été efficacement vaincu par les réalités mathématiques de problèmes insolubles mais d'une importance critique comme l'optimisation et le repliement des protéines. La nature séquentielle du fonctionnement informatique classique signifie que, à eux seuls, ils ne pourront jamais dépasser le taux de croissance d'un O (2n) ou Sur!) problème.

Personne ne veut accepter que l'incroyable aventure technologique que nous avons connue depuis un demi-siècle touche à sa fin, mais à moins de trouver des algorithmes capables de fournir un raccourci autour de ce taux de croissance, nous devons regarder au-delà de l'ordinateur classique si nous voulons maintenir notre rythme actuel de progrès technologique.

Le battage médiatique autour de l'informatique post-classique semble utopique, mais étonnamment justifié

L'informatique quantique est un sujet dans lequel beaucoup de gens, moi y compris, se sont trompés dans le passé et il y a ceux qui mettent en garde contre une trop grande confiance dans la capacité d'un ordinateur quantique à nous libérer de l'impasse informatique dans laquelle nous sommes coincés.

La technologie en est à ses débuts et il y a un certain nombre de raisons de douter que nous verrons jamais l'équivalent informatique quantique de l'ordinateur domestique Apple II. Ce ne sont pas seulement les qubits que vous devez maîtriser; vous devrez également découvrir un matériau capable d'une supraconductivité à température ambiante et déterminer comment maintenir un environnement interne pour que les qubits doivent être maintenus aussi près que possible du zéro absolu pour fonctionner.

En outre, la grande majorité du travail qu'un ordinateur doit faire ne sera pas effectuée plus rapidement sur un ordinateur quantique que sur un ordinateur classique. Les opérations séquentielles ne sont pas le genre de chose pour laquelle les ordinateurs quantiques sont conçus, tant après l'arrivée complète des ordinateurs quantiques, nous continuerons d'utiliser des ordinateurs classiques dans un avenir prévisible, tandis que les ordinateurs quantiques resteront probablement dans des laboratoires d'entreprise et nationaux avec des services de traitement fournis par cloud computing sur une base d'algorithme par algorithme.

Malgré tout le travail nécessaire pour créer et maintenir des qubits en superposition, les ordinateurs quantiques ne font vraiment rien pour le moment et cela restera probablement le cas un peu plus longtemps au moins. Vous seriez pardonné de penser que les ordinateurs quantiques sont un tas de chapeau et pas de bétail, mais ce serait aussi une grave erreur de caractérisation de l'état de la technologie et passerait sous silence la signification de ce qui nous savons déjà est juste maintenant à l'horizon.

L'une des forces des systèmes mathématiques est leur prouvabilité avec la logique. Si nous pouvons prouver qu'une chose est vraie logiquement, cette vérité ne changera jamais. C'est le genre de chose qui nous donne la confiance nécessaire pour construire des fusées et des engins spatiaux qui peuvent être pilotés avec une précision presque parfaite à quatre milliards et demi de kilomètres de distance, et c'est pourquoi nous pouvons dire que l'informatique quantique ne sera pas seulement transformatrice, nous pouvons vous dire exactement pourquoi.

Au cours des 25 années qui ont suivi la publication du premier algorithme quantique par Peter Shor - qui a montré que la factorisation des nombres entiers premiers pouvait être effectuée sur des ordinateurs quantiques en temps polynomial - les mathématiciens et les informaticiens ont développé d'autres algorithmes quantiques qui s'attaquent aux problèmes que les ordinateurs classiques ont eu du mal à résoudre. . Parmi ces dizaines d'algorithmes quantiques, beaucoup d'entre eux sont des ordres de grandeur plus rapides que l'algorithme classique le plus efficace que nous connaissons et ne sont possibles qu'en raison de l'environnement quantique unique dans lequel ils fonctionnent.

Certains des travaux les plus importants dans le domaine de l'informatique quantique ont été la création d'algorithmes qui simulent différents systèmes quantiques qui apparaissent dans tout, de la technologie laser à la médecine. Ces algorithmes seront capables de surpasser de loin des simulations informatiques classiques similaires. Actuellement, les algorithmes classiques qui effectuent la simulation moléculaire sont limités dans les types de molécules qu'ils peuvent simuler. Ces algorithmes sont généralement limités aux molécules avec moins de 70 orbitales de spin, pas plus que cela, et la complexité de la simulation augmente si rapidement qu'elle devient insoluble.

Pendant ce temps, un seul qubit peut représenter l'une de ces orbitales suffisamment efficacement pour qu'un ordinateur quantique avec seulement 100 qubits - l'ordinateur quantique D-Wave 2X a 1152 qubits, bien qu'il ait été conçu pour exécuter un algorithme spatial, pas comme un usage général. ordinateur quantique - permettrait des simulations moléculaires que les ordinateurs classiques ne sont même pas près d'être capables de simuler et ne le feront probablement jamais. Ces simulations peuvent potentiellement révéler toutes sortes de composés jusqu'alors inconnus qui peuvent fournir de nouvelles thérapies pour un certain nombre de maladies.

Il existe des algorithmes quantiques pour tout, des recherches en profondeur et des marches quantiques sur un graphe à la résolution de systèmes d'équations linéaires, d'équations différentielles et même de progrès sur certaines classes de problèmes d'optimisation, comme l'optimisation adiabatique. Ce qui manque à ces algorithmes, cependant, c'est un ordinateur quantique suffisamment puissant avec suffisamment de qubits pour fonctionner.

Ce ne sera pas le cas pour toujours, cependant, et lorsque le moment sera venu de retirer ces algorithmes et de les mettre en œuvre, certains des problèmes les plus insolubles, exponentiellement et factoriquement complexes dans les affaires, l'administration, la médecine, l'ingénierie, et d'autres seront résolus en temps superpolynomial ou plus rapidement. Ces gains sont la vraie affaire et ils sont garantis par leur logique de travail; la seule question est de savoir combien de temps il faudra à ces ordinateurs pour arriver.

Redéfinir l'ordinateur pour l'ère post-classique

Le problème auquel sont confrontés les ordinateurs classiques à l'avenir est intrinsèque à la nature électronique des ordinateurs eux-mêmes. Évoluant à partir de simples circuits électroniques, les ordinateurs utilisent une méthodologie de calcul très spécifique pour résoudre des problèmes et sont donc définitivement enfermés dans le modèle de calcul séquentiel de nombres binaires que l'électronique utilise depuis plus d'un siècle. La place dominante de ce modèle dans notre technologie ne signifie pas que c'est la seule façon d'effectuer des calculs.

La spintronique, qui utilise le spin des électrons et les propriétés magnétiques que ce spin produit, se montre le plus prometteur en tant que mécanisme de stockage en raison de son imperméabilité aux perturbations magnétiques externes, le type qui peut effacer des disques durs entiers qui reposent sur la technologie actuelle de stockage de données ferromagnétiques. .

Les qualités magnétiques des électrons suggèrent également qu'un transistor semi-conducteur spintronique pourrait être construit qui pourrait ramener la loi de Moore à la vie, au moins pendant un certain temps. Les atomes peuvent être petits, mais ils sont à peu près tous des noyaux. Les électrons qui gravitent autour du noyau sont des ordres de grandeur plus petits qu'un atome lui-même, il devrait donc être possible d'emballer des milliers de fois plus de transistors spintroniques sur les puces de silicium actuelles, donnant aux ordinateurs classiques la possibilité de contourner toute cette loi de la physique et problème de chimie.

S'éloignant de notre obsession pour les puces de silicium, il existe un autre domaine majeur de recherche informatique qui recèle un potentiel incroyable. Le calcul ADN peut sembler déroutant et peut-être un peu étrange à première vue, mais si vous y réfléchissez, c'est un candidat évident pour la recherche et le développement informatique post-classique.

Depuis que les premiers brins d'ADN ont codé les instructions pour la création et le fonctionnement d'organismes unicellulaires, il est devenu un mécanisme puissant pour la transmission et le stockage des données, mais les chercheurs creusent maintenant plus profondément dans les éléments constitutifs individuels de l'ADN lui-même. , et il est potentiel en tant que mécanisme de calcul à part entière.

La recherche a montré [PDF] que les quatre acides aminés distincts - A, T, C et G - qui servent de blocs de construction de l'ADN peuvent être réutilisés pour agir comme des bits codables. Lorsqu'ils sont mélangés, ces acides aminés s'auto-assemblent naturellement en brins d'ADN et non pas n'importe quel ADN mais toutes les différentes permutations d'ADN possibles avec les matériaux disponibles.

Il s'agit d'une innovation potentiellement révolutionnaire puisque l'exécution d'opérations sur une superposition de qubits n'est pas la même chose que le véritable calcul parallèle. Les ordinateurs quantiques ne vous donneront qu'une seule sortie, soit une valeur ou un état quantique résultant, de sorte que leur utilité pour résoudre des problèmes de complexité temporelle exponentielle ou factorielle dépendra entièrement de l'algorithme utilisé.

Le calcul de l'ADN, cependant, exploite la capacité de ces acides aminés à se construire et à s'assembler en de longs brins d'ADN. Mélangez ces acides aminés et ils deviendront naturellement plus longs et plus complexes permutations de l'ensemble d'acides aminés. Si vous avez suivi la série, ces mots auraient dû vous sauter dessus. La permutation est un processus avec une complexité temporelle factorielle, et c'est le défi fondamental qui doit être surmonté si nous voulons résoudre un problème NP-complet. Les permutations sont tout au sujet optimisation, et il est probable que même un ordinateur quantique trouvera optimisation au-delà de son pouvoir de résoudre.

C'est ce qui fait de l'informatique ADN un nouveau développement si passionnant. Si nous encodons le nom d'une ville dans le problème du voyageur de commerce comme une combinaison d'acides aminés et jetons tous ces acides aminés dans un bécher, une fois qu'ils commencent à s'auto-assembler en brins d'ADN, la solution correcte au problème du voyageur de commerce sera grandir organiquement à partir de ce processus.

En moins d'une minute, la solution au problème du voyageur de commerce se trouvera dans ce bécher sous la forme d'un brin d'ADN, et le défi consiste à trouver un moyen de filtrer les mauvaises réponses jusqu'à ce que nous puissions isoler cette solution optimale. Filtrer le nombre incalculable de brins d'ADN incorrects pour trouver le meilleur n'est pas une mince tâche, sans aucun doute, mais c'est aussi ne pas un problème de permutation chaque brin d'ADN possible. Comme nous l'avons vu dans l'algorithme de Shor, parfois la clé pour trouver la solution à un problème insoluble est de le transformer en un problème équivalent plus facile à résoudre.

Bien que ce soit toujours une chose difficile à faire en termes de calcul, c'est beaucoup plus simple que de forcer brutalement les permutations et de les valider après-coup pour trouver la meilleure voie à emprunter pour notre vendeur. Les recherches en cours sur le calcul de l'ADN révéleront avec le temps sa véritable efficacité, mais les brins d'ADN auto-assemblés offrent la promesse d'un véritable calcul parallèle, ce que même l'informatique quantique ne peut prétendre.

Nous approchons rapidement d'un horizon d'événement technologique

Il est tout à fait possible qu'avant de voir quoi que ce soit, l'humanité finisse par se bombarder dans un nouvel âge sombre dont le rétablissement prend des milliers d'années.

Il est important de se rappeler que bien que le progrès ne soit pas garanti, le changement l'est toujours et le type de retraite technologique et scientifique que ce nouvel âge sombre représenterait est la seule comparaison que je puisse faire qui capture l'ampleur du changement qui pourrait découler de la transition vers l'ère post-classique.

L'humanité se rapproche véritablement de l'horizon des événements technologiques. Il y a quelque chose de l'autre côté de la fracture classique-post-classique, il est probablement beaucoup plus massif qu'il n'y paraît d'ici, et toute prédiction sur ce que nous trouverons une fois que nous l'aurons traversée est aussi bonne que celle de n'importe qui d'autre. .

S'il peut être amusant de spéculer sur des avancées spécifiques, ce qui importera en fin de compte beaucoup plus que toute autre avancée sera les synergies produites par ces différentes avancées travaillant ensemble. Les synergies sont notoirement supérieures à la somme de leurs parties, mais qu'est-ce que cela signifie lorsque vos parties sont la blockchain, les réseaux 5G, les ordinateurs quantiques et l'intelligence artificielle avancée?

Quoi qu'il finisse par être, il redéfinira le calcul tel que nous le connaissons et les implications des nouveaux systèmes que nous allons créer en intégrant ces différents modèles seront si immenses que la seule chose dont je sais avec certitude est que notre passage dans le post- le monde classique est garanti pour un aller simple.


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