Dies ist der letzte Artikel in einer siebenteiligen Reihe über Algorithmen und Berechnungen, in der untersucht wird, wie wir einfache Binärzahlen verwenden, um unsere Welt mit Strom zu versorgen. Der erste Artikel Wie Algorithmen die Welt steuern, in der wir leben , kann gefunden werden hier .
Als tausendjähriger Ältester wurde ich als wichtigste Erfindung des Menschen erwachsen, seit das Rad Mitte der neunziger Jahre in unseren Postfächern auftauchte: Software-CDs mit kostenlosen Testversionen für Dienste wie America Online , Compuserve und Wunderkind . Diese ersten Erkundungsschritte in diesen revolutionären digitalen Raum erfolgten, als wir alt genug waren, um uns klar an das Leben vor dem Internet zu erinnern, aber noch jung genug, um die Technologie auf eine Weise zu nutzen, wie es unsere Eltern nicht konnten.
Wir haben gerne 1000-Dollar-Kreditkartenrechnungen in Chatrooms, Message Boards, Instant Messaging und anderen ursprünglichen Internetinhalten erstellt - das ist richtig, Kinder, damals mussten wir für das Internet bezahlen. stundenweise - aber das war das Problem von Mama und Papa, wir hatten einen ganzen zivilisationsverändernden Übergang, an dem wir teilnehmen konnten. Transformationsfortschritte auf globaler Ebene brauchen normalerweise Zeit, sogar Generationen, um sie zu erreichen, aber wir haben sie in weniger als geschafft. ein Jahrzehnt und verbrachte ein weiteres Jahrzehnt damit, die Grenzen dessen zu verschieben, was mit einem Computer und einer Internetverbindung möglich war, und leider stießen wir ziemlich schnell auf diese Grenzen.
Aufstieg und Niedergang des klassischen Computers
In jeder Hinsicht ist das Internet die Tour de Force des klassischen Computing. Vernetzt, Milliarden von Computern jeder Form und Größe arbeiten durch Algorithmen, Funksignale und Glasfaserkabel zusammen, um eine Lebensweise zu schaffen, die unseres Wissens im Universum einzigartig ist. Noch unglaublicher ist, dass das klassische Computing dies in weniger als zwei Generationen erreicht hatvon Menschen, eine Geschwindigkeit des technologischen Fortschritts ohne historischen Präzedenzfall.
VERBINDUNG: WAS ÄNDERT SICH QUANTUM COMPUTING GENAU?
Für 40 Jahre , Moores Gesetz trieb den beispiellosen menschlichen Fortschritt der Nachkriegszeit an, aber a Silizium-Computerchip ist ein physikalisches Material und unterliegt daher den Gesetzen der Physik, Chemie und Technik. Nach dem Miniturieren des Transistors auf einer integrierten Schaltung im nanoskopischen Maßstab können Transistoren einfach nicht immer kleiner werden. alle zwei Jahre . Mit Milliarden elektronischer Komponenten nicht mehr als in einen festen, quadratischen Siliziumwafer geätzt 2 Zoll breit Sie können die Anzahl der Atome zählen, aus denen die einzelnen Transistoren bestehen.
Intel letzte Probleme mit offensichtlichen Sicherheitslücken in ihren Prozessoren ist eine direkte Folge davon, dass Ingenieure versuchen müssen, kreative Wege zu finden, um die Prozessorleistung und -geschwindigkeit zu verbessern, wenn es nicht mehr möglich ist, die integrierte Schaltung selbst physisch zu verbessern. Da die Transistoren auf nur noch geschrumpft sind 7 Nanometer Lange haben uns die Ingenieure an einen Punkt gebracht, an dem Transistoren die geringstmögliche Anzahl von Atomen verwenden, um eine Arbeitskomponente aufzubauen. Jede kleinere und die strukturelle Integrität des Transistors würde schnell zusammenbrechen und ihre Fähigkeit verlieren, die Elektrizität aufzunehmen und zu lenkenStrom, der die Informationen vermittelt, die Computer so leistungsfähig machen.
Computer waren noch nie schneller oder agiler, wenn es um das Schalten und Manipulieren des elektrischen Stroms geht, der seinen Betrieb antreibt, aber Sie können Elektronen einfach nicht dazu bringen, sich mit einer anderen Geschwindigkeit zu bewegen, als der, die durch das Medium bestimmt wirdDie einzige Möglichkeit, den Elektronenfluss zu "beschleunigen", besteht darin, die Entfernung zwischen Logikgattern zu verringern, damit Operationen einige Billionstelsekunden schneller als zuvor zu Ergebnissen führen, was wir bereits getan habenzum 40 Jahre .
Moderne Computerprozessoren sind unbestreitbar schnell, aber leider nicht schnell genug. Trotz seiner unglaublichen Leistung wurde der klassische Computer durch die mathematischen Realitäten hartnäckiger, aber kritisch wichtiger Probleme wie Optimierung und Proteinfaltung effektiv besiegt. Die sequentielle Natur des klassischen ComputersBetrieb bedeutet, dass sie allein niemals in der Lage sein werden, die Wachstumsrate von a zu übertreffen O 2 n oder O n! Problem.
Niemand möchte akzeptieren, dass die unglaubliche technologische Fahrt, die wir im letzten halben Jahrhundert erlebt haben, zu Ende geht, aber wenn keine Algorithmen gefunden werden, die eine Abkürzung für diese Wachstumsrate bieten können, müssen wir über das hinausblickenklassischer Computer, wenn wir unser derzeitiges Tempo des technologischen Fortschritts beibehalten wollen.
Hype um postklassisches Computing klingt utopisch, aber überraschend gerechtfertigt
Quantencomputer sind ein Thema, das viele Menschen, auch ich, in der Vergangenheit falsch verstanden haben, und es gibt diejenigen, die davor warnen, zu viel Vertrauen in die Fähigkeit eines Quantencomputers zu setzen, uns aus der Sackgasse zu befreien, in der wir steckenim.
Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen und es gibt eine Reihe von Gründen zu bezweifeln, dass wir jemals das Quantencomputer-Äquivalent von sehen werden. Apple II-Heimcomputer . Es sind nicht nur die Qubits, die Sie beherrschen müssen, sondern Sie müssen auch ein Material entdecken, das in der Lage ist, Supraleitung bei Raumtemperatur zu erzeugen, und herausfinden, wie Sie eine interne Umgebung für die Qubits aufrechterhalten müssenso nah wie möglich am absoluten Nullpunkt gehalten werden, um zu arbeiten.
Außerdem wird die überwiegende Mehrheit der Arbeit, die ein Computer erledigen muss, auf einem Quantencomputer nicht schneller ausgeführt als auf einem klassischen. Sequentielle Operationen sind nicht die Art von Dingen, für die Quantencomputer so lange ausgelegt sindNachdem die Quantencomputer vollständig eingetroffen sind, werden wir auf absehbare Zeit weiterhin klassische Computer verwenden, während Quantencomputer wahrscheinlich in Unternehmens- und nationalen Labors mit Verarbeitungsdiensten verbleiben werden, die durch Cloud Computing auf Algorithmusbasis bereitgestellt werden.
Bei all der Arbeit, die erforderlich ist, um Qubits in Überlagerung zu erstellen und aufrechtzuerhalten, tun Quantencomputer im Moment nicht wirklich viel, und das wird wahrscheinlich zumindest noch eine Weile so bleiben. Ihnen wird das Denken vergebendass Quantencomputer eine Menge Hut und kein Vieh sind, aber das wäre auch eine ernsthafte Fehlcharakterisierung des Standes der Technik und beschönigt die Bedeutung dessen, was wir wissen es bereits kommt gerade über den Horizont.
Eine der Stärken mathematischer Systeme ist ihre Beweisbarkeit mit Logik. Wenn wir beweisen können, dass etwas logisch wahr ist, wird sich diese Wahrheit niemals ändern. Dies ist die Art von Dingen, die uns das Vertrauen geben, Raketen und Raumschiffe zu bauenkann aus einer Entfernung von viereinhalb Milliarden Meilen mit nahezu präziser Präzision gesteuert werden, und deshalb können wir sagen, dass Quantencomputer nicht nur transformativ sind, wir können Ihnen genau sagen, warum.
In den 25 Jahren seit Peter Shor die veröffentlicht hat erster Quantenalgorithmus - was zeigte, dass die Primfaktorisierung von ganzen Zahlen auf Quantencomputern in Polynomzeit durchgeführt werden kann - Mathematiker und Informatiker haben andere entwickelt Quantenalgorithmen die Probleme angehen, die klassische Computer haben kämpfte um die Lösung . Von diesen Dutzenden von Quantenalgorithmen sind viele um Größenordnungen schneller als die effizientesten klassischer Algorithmus Wir kennen und sind nur aufgrund der einzigartigen Quantenumgebung möglich, in der sie arbeiten.
Einige der wichtigsten Arbeiten auf dem Gebiet des Quantencomputers waren die Entwicklung von Algorithmen, die verschiedene Quantensysteme simulieren, die in allen Bereichen von der Lasertechnologie bis zur Medizin auftauchen. Diese Algorithmen werden in der Lage sein, ähnliche klassische Computersimulationen um ein Vielfaches zu übertreffenDerzeit sind klassische Algorithmen, die molekulare Simulationen durchführen, auf die Arten von Molekülen beschränkt, die simuliert werden können. Diese Algorithmen sind normalerweise auf Moleküle mit weniger als beschränkt. 70 Spinorbitale mehr als das, und die Komplexität der Simulation wächst so schnell, dass sie unlösbar wird.
In der Zwischenzeit kann ein einzelnes Qubit eines dieser Orbitale effizient genug darstellen, so dass ein Quantencomputer mit nur 100 Qubits - der D-Wave 2X-Quantencomputer verfügt über 1152 Qubits, obwohl er für die Ausführung eines räumlichen Algorithmus entwickelt wurde, nicht alsAllzweck-Quantencomputer - würden molekulare Simulationen ermöglichen, die klassische Computer nicht annähernd simulieren können und wahrscheinlich niemals simulieren werden. Diese Simulationen können möglicherweise alle Arten bisher unbekannter Verbindungen aufdecken, die neuartige Therapien für eine beliebige Anzahl von Krankheiten bereitstellen können.
Es gibt Quantenalgorithmen für alles, von Tiefensuchen und Quantenwanderungen über einen Graphen bis hin zum Lösen von linearen Gleichungssystemen, Differentialgleichungen und sogar zum Fortschreiten bestimmter Klassen von Optimierungsproblemen, wie der adiabatischen Optimierung. Was diesen Algorithmen fehlt,ist jedoch eine ausreichende leistungsstarker Quantencomputer mit genügend Qubits zum Ausführen.
Dies wird jedoch nicht für immer der Fall sein, und wenn es an der Zeit ist, diese Algorithmen von der Stange zu nehmen und in Betrieb zu nehmen, einige der frustrierend schwer zu lösenden, exponentiell und faktoriell komplexen Probleme in Unternehmen, Verwaltung,Medizin, Technik und mehr werden in superpolynomialer Zeit oder schneller gelöst. Diese Gewinne sind das eigentliche Problem und sie werden durch ihre Logik garantiert, um zu funktionieren. Die einzige Frage ist nur, wie lange es dauern wird, bis diese Computer eintreffen.
Neudefinition des Computers für das postklassische Zeitalter
Das Problem, mit dem klassische Computer in Zukunft konfrontiert sind, hängt mit der elektronischen Natur der Computer selbst zusammen. Aus einfachen elektronischen Schaltkreisen heraus entwickeln Computer eine sehr spezifische Berechnungsmethode, um Probleme zu lösen, und sind daher permanent in das Modell der sequentiellen Berechnung von Binärzahlen dieser Elektronik eingebundenwerden seit mehr als einem Jahrhundert verwendet. Der dominierende Platz dieses Modells in unserer Technologie bedeutet nicht, dass es die einzige Möglichkeit ist, Berechnungen durchzuführen.
Spintronics, das den Spin von Elektronen und die magnetischen Eigenschaften dieses Spins nutzt, ist aufgrund seiner Undurchlässigkeit für externe magnetische Störungen, die ganze Festplatten löschen können, die auf aktuellen ferromagnetischen Daten beruhen, am vielversprechendsten als SpeichermechanismusSpeichertechnologie.
Die magnetischen Eigenschaften von Elektronen legen auch nahe, dass ein spintronischer, halbleitender Transistor gebaut werden könnte, der das Moore'sche Gesetz zumindest für eine Weile wieder zum Leben erwecken könnte. Atome mögen klein sein, aber sie sind so ziemlich alle Kerne. Die Elektronen, dieDie Umlaufbahn des Kerns ist inzwischen um Größenordnungen kleiner als ein Atom selbst. Daher sollte es möglich sein, tausende Male so viele Spintronic-Transistoren auf aktuelle Siliziumchips zu packen, um klassischen Computern die Möglichkeit zu geben, das gesamte Gesetz der Physik und Chemie zu umgehen.
Weg von unserer Besessenheit mit Siliziumchips Es gibt einen weiteren wichtigen Bereich der Computerforschung, der ein unglaubliches Potenzial birgt. DNA-Computing mag auf den ersten Blick verwirrend und möglicherweise etwas seltsam erscheinen, aber wenn Sie darüber nachdenken, ist es ein offensichtlicher Kandidat für die postklassische Computerforschungund Entwicklung.
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Seitdem die ersten DNA-Stränge die Anweisungen für die Erzeugung und den Betrieb einzelliger Organismen codierten, hat sie sich zu einem leistungsstarken Mechanismus für die Übertragung und Speicherung von Daten entwickelt, aber die Forscher befassen sich jetzt eingehender mit den einzelnen Bausteinen vonDNA selbst und ihr Potenzial als eigenständiger Rechenmechanismus.
Untersuchungen haben gezeigt [ PDF ] dass die vier verschiedenen Aminosäuren - A, T, C und G -, die als Bausteine der DNA dienen, als kodierbare Bits verwendet werden können. Beim Mischen ordnen sich diese Aminosäuren auf natürliche Weise zu Strängen anvon DNA und nicht irgendeine DNA, sondern all die verschiedenen Permutationen von DNA, die mit den verfügbaren Materialien möglich sind.
Dies ist eine potenziell bahnbrechende Innovation, da das Ausführen von Operationen mit einer Überlagerung von Qubits nicht dasselbe ist wie echtes paralleles Rechnen. Quantencomputer geben Ihnen nur eine einzige Ausgabe, entweder einen Wert oder einen resultierenden Quantenzustand, also deren NützlichkeitDas Lösen von Problemen mit exponentieller oder faktorieller Zeitkomplexität hängt vollständig vom verwendeten Algorithmus ab.
DNA-Computing nutzt jedoch die Fähigkeit dieser Aminosäuren, sich zu langen DNA-Strängen aufzubauen und zusammenzusetzen. Mischen Sie diese Aminosäuren, und sie werden auf natürliche Weise länger und komplexer. Permutationen vom Set von Aminosäuren. Wenn Sie der Serie gefolgt sind, sollten diese Wörter auf Sie herausgesprungen sein. Permutation ist ein Prozess mit faktorieller Zeitkomplexität, und es ist die grundlegende Herausforderung, die erforderlich ist überwunden werden wenn wir eine lösen wollen NP-vollständiges Problem . Permutationen sind alles über Optimierung und es ist wahrscheinlich, dass selbst ein Quantencomputer es findet Optimierung über seine Lösungskraft hinaus.
Das macht DNA-Computing eine so aufregende Neuentwicklung. Wenn wir den Namen einer Stadt im Problem des Handlungsreisenden als eine Kombination von Aminosäuren kodieren und all diese Aminosäuren in ein Becherglas werfen, sobald sie sich selbst zu DNA-Strängen zusammenlagern, wird dieDie richtige Lösung für das Problem des Handlungsreisenden wird aus diesem Prozess organisch hervorgehen.
In weniger als einer Minute liegt die Lösung für das Problem des Handlungsreisenden in Form eines DNA-Strangs in diesem Becher, und die Herausforderung besteht darin, einen Weg zu finden, die falschen Antworten herauszufiltern, bis wir diese optimale Lösung isolieren könnenDas Herausfiltern der unzähligen falschen DNA-Stränge, um den optimalen zu finden, ist keine kleine Aufgabe, ohne Frage, aber es ist auch nicht ein Problem von permutierend Jeder mögliche DNA-Strang. Wie wir in Shors Algorithmus gesehen haben, besteht der Schlüssel zur Suche nach einer Lösung für ein unlösbares Problem manchmal darin, daraus ein gleichwertiges Problem zu machen, das leichter zu lösen ist.
Obwohl dies immer noch eine rechenintensive Aufgabe ist, ist es viel einfacher, als Permutationen brutal zu erzwingen und sie nach dem Wort zu validieren, um den besten Weg für unseren Verkäufer zu finden. Laufende Forschungen zum DNA-Computing werden mit der Zeit seine wahre Wirksamkeit aufzeigen, aber dieSelbstorganisierende DNA-Stränge versprechen eine echte parallele Berechnung, die selbst Quantencomputer nicht beanspruchen können.
Wir nähern uns schnell einem technologischen Ereignishorizont
Es ist durchaus möglich, dass sich die Menschheit, bevor wir etwas davon sehen, in ein neues dunkles Zeitalter bombardiert, dessen Erholung Tausende von Jahren dauert.
Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass Fortschritt zwar nicht garantiert ist, aber immer ein Wandel stattfindet. Die Art des technologischen und wissenschaftlichen Rückzugs, den dieses neue dunkle Zeitalter darstellen würde, ist der einzige Vergleich, den ich anstellen kann, um das Ausmaß des Wandels zu erfassen, der möglicherweise aus demÜbergang in die postklassische Zeit.
Die Menschheit nähert sich wirklich einem technologischen Ereignishorizont. Es gibt etwas auf der anderen Seite der klassisch-postklassischen Kluft, es ist wahrscheinlich weitaus massiver als es von hier aus aussieht, und jede Vorhersage darüber, was wir sindIch werde feststellen, dass es so gut ist wie das aller anderen.
Während es Spaß machen kann, über bestimmte Fortschritte zu spekulieren, werden letztendlich die Synergien, die durch die Zusammenarbeit dieser verschiedenen Fortschritte entstehen, viel wichtiger sein als jeder Fortschritt. Synergien sind bekanntermaßen größer als die Summe ihrer Teile, aber was bedeutet das?meine, wenn Ihre Teile Blockchain, 5G-Netzwerke, Quantencomputer und fortschrittliche künstliche Intelligenz sind?
Was auch immer es sein mag, es wird die Berechnung neu definieren, wie wir sie kennen, und die Auswirkungen der neuen Systeme, die wir durch die Integration dieser verschiedenen Modelle erstellen, werden so immens sein, dass das einzige, was ich mit Sicherheit weiß, ist, dass wir in dieDie postklassische Welt ist garantiert eine Einbahnstraße.