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양자 알고리즘과 포스트 클래식 컴퓨팅의 미래

양자 알고리즘과 포스트 클래식 컴퓨팅의 미래

이것은 알고리즘과 계산에 관한 7 부작 시리즈의 마지막 기사로, 우리가 세상에 전력을 공급하기 위해 간단한 이진수를 사용하는 방법을 탐구합니다. 첫 번째 기사, 알고리즘이 우리가 사는 세상을 운영하는 방법, 여기에서 찾을 수 있습니다.

밀레 니얼 세대 인 저는 1990 년대 중반에 우편함에 바퀴가 나타나기 시작한 이래 가장 중요한 인간 발명품으로 성장했습니다. 다음과 같은 서비스에 대한 무료 평가판을 제공하는 소프트웨어 CD 아메리카 온라인, Compuserve, 및 신동. 이 혁신적인 디지털 공간에 대한 첫 번째 탐색 단계는 우리가 인터넷 이전의 삶을 명확하게 기억할 수있을만큼 나이가 많았지 만 부모가 할 수없는 방식으로 기술을 수용 할 수있을만큼 충분히 어렸을 때 왔습니다.

우리는 채팅방, 메시지 게시판, 인스턴트 메시징 및 기타 원시 인터넷 콘텐츠에 수천 달러의 신용 카드 청구서를 기꺼이 처리했습니다. 맞습니다. 그 당시에는 인터넷 비용을 지불해야했습니다. 시간별로--그러나 그것은 엄마와 아빠의 문제였습니다. 우리는 전체 문명을 바꾸는 전환에 참여했습니다. 글로벌 규모의 변혁적인 발전은 일반적으로 달성하는 데 시간, 세대, 시간이 걸리지 만 십년 컴퓨터와 인터넷 연결로 가능한 한계를 뛰어 넘는 데 10 년을 더 보냈고, 안타깝게도 우리는 그 한계에 매우 빠르게 뛰어 들기 시작했습니다.

클래식 컴퓨터의 흥망 성쇠

모든 의도와 목적을 위해 인터넷은 고전적인 컴퓨팅의 힘입니다. 함께 네트워킹, 수십억 대의 컴퓨터 모든 모양과 크기의 알고리즘, 무선 신호 및 광섬유 케이블을 통해 협력하여 우리가 아는 한 우주에서 고유 한 삶의 방식을 만듭니다. 더욱 놀라운 사실은 고전적인 컴퓨팅이 인간의 2 세대도 안되는 시간에이를 달성했다는 것입니다. 이는 역사적 전례가없는 기술 발전 속도입니다.

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에 대한 40 년, 무어의 법칙은 전후 시대의 전례없는 인간 발전을 이끌었지만 실리콘 컴퓨터 칩은 물리적 인 물질이므로 물리, 화학 및 공학의 법칙에 의해 지배됩니다. 집적 회로의 트랜지스터를 나노 크기로 축소 한 후 트랜지스터는 계속 작아 질 수 없습니다. 2 년마다. 와 수십억 개의 전자 부품 실리콘의 단단한 정사각형 웨이퍼에 에칭 2 인치 너비, 개별 트랜지스터를 구성하는 원자의 수를 셀 수 있습니다.

프로세서의 눈에 띄는 보안 취약성에 대한 인텔의 최근 문제는 더 이상 집적 회로 자체를 물리적으로 개선 할 수 없을 때 프로세서 성능과 속도를 개선 할 수있는 창의적인 방법을 고안해야하는 엔지니어의 직접적인 결과입니다. 트랜지스터가 축소됨에 따라 7 나노 미터 오랫동안 엔지니어들은 트랜지스터가 작동 부품을 만들기 위해 가능한 가장 적은 수의 원자를 사용하는 지점에 도달했습니다. 더 작거나 트랜지스터의 구조적 무결성은 빠르게 무너지고 컴퓨터를 강력하게 만드는 정보를 전달하는 전류를 포함하고 전달하는 능력을 잃게됩니다.

컴퓨터는 작동에 전력을 공급하는 전류의 스위칭 및 조작에있어 더 빠르거나 더 민첩한 적이 없었지만, 전자가 통과하는 매체에 의해 결정된 속도가 아닌 속도로 전자를 이동시킬 수는 없습니다. . 전자의 흐름을 "속도를 높이는"유일한 방법은 논리 게이트 사이를 이동해야하는 거리를 줄이는 것입니다. 그래야 연산 결과가 이전보다 몇 조 분의 1 초 더 빨라집니다. 40 년.

현대 컴퓨터 프로세서는 부인할 수 없을 정도로 빠르지 만 안타깝게도 충분히 빠르지 않습니다. 놀라운 힘에도 불구하고 고전적인 컴퓨터는 최적화 및 단백질 폴딩과 같은 다루기 어렵지만 매우 중요한 문제의 수학적 현실에 의해 효과적으로 패배했습니다. 고전적인 컴퓨터 작동의 순차적 인 특성은 그 자체로는 컴퓨터의 성장 속도를 추월 할 수 없음을 의미합니다. O (2) 또는 의 위에!) 문제.

아무도 우리가 지난 반세기 동안 즐겼던 놀라운 기술이 끝이났다는 사실을 받아들이기를 원하지 않지만, 이러한 성장 속도에 대한 지름길을 제공 할 수있는 알고리즘이 발견되지 않는 한 우리는 고전적인 컴퓨터를 넘어서야합니다. 현재의 기술 발전 속도를 유지하려면

포스트 클래식 컴퓨팅에 대한 과대 광고는 유토피아 적으로 들리지만 놀랍게도 정당화되었습니다.

양자 컴퓨팅은 저를 포함한 많은 사람들이 과거에 잘못한 주제이며, 우리가 갇혀있는 컴퓨팅 막 다른 골목에서 우리를 해방시키는 양자 컴퓨터의 능력에 너무 많은 믿음을 두지 않도록주의하는 사람들이 있습니다.

이 기술은 초기 단계에 있으며 Apple II 가정용 컴퓨터에 해당하는 양자 컴퓨터를 볼 수 있을지 의심 할 이유가 많습니다. 마스터해야하는 큐 비트 만이 아닙니다. 또한 상온에 가까운 초전도성을 가질 수있는 재료를 발견해야 할뿐만 아니라 작업을 위해 가능한 한 절대 0에 가깝게 유지해야하는 큐 비트에 대한 내부 환경을 유지하는 방법을 파악해야합니다.

게다가 컴퓨터가 수행해야하는 대부분의 작업은 기존 컴퓨터보다 양자 컴퓨터에서 더 빨리 수행되지 않습니다. 순차적 작업은 양자 컴퓨터가 설계된 종류가 아닙니다. 따라서 양자 컴퓨터가 완전히 도착한 후에도 우리는 예측 가능한 미래를 위해 고전적인 컴퓨터를 계속 사용할 것이며 양자 컴퓨터는 다음을 통해 제공되는 처리 서비스를 통해 기업 및 국가 연구소에 머물 것입니다. 알고리즘 기반의 알고리즘 기반 클라우드 컴퓨팅.

중첩에서 큐 비트를 생성하고 유지하는 데 필요한 모든 작업에 대해 양자 컴퓨터는 현재 많은 작업을 수행하지 않으며 적어도 잠시 동안은 그럴 것입니다. 당신은 양자 컴퓨터가 많은 모자이고 가축이 아니라고 생각하는 것에 대해 용서받을 것입니다. 그러나 그것은 또한 기술의 상태에 대한 심각한 오해이며 무엇의 중요성에 대한 글쎄요 우리는 이미 알고있다 이제 지평선 너머로오고 있습니다.

수학적 시스템의 강점 중 하나는 논리를 통한 입증 가능성입니다. 논리적으로 사실임을 증명할 수 있다면 그 진리는 결코 변하지 않을 것입니다. 이것은 우리에게 45 억 마일 떨어진 곳에서 거의 정확한 정확도로 조종 할 수있는 로켓과 우주선을 만들 수있는 자신감을주는 것입니다. 그래서 양자 컴퓨팅이 단지 혁신적이지 않을 것이라고 말할 수있는 이유입니다. 그 이유를 정확히 알려 드릴 수 있습니다.

Peter Shor가 최초의 양자 알고리즘 (정수의 소인수 분해가 다항식 시간에 양자 컴퓨터에서 수행 될 수 있음을 보여준)을 발표 한 이후 25 년 동안 수학자와 컴퓨터 과학자는 고전적인 컴퓨터가 해결하기 위해 고군분투하는 문제를 해결하는 다른 양자 알고리즘을 개발했습니다. . 수십 개의 양자 알고리즘 중 많은 것들이 우리가 알고있는 가장 효율적인 고전 알고리즘보다 훨씬 빠르며 작동하는 고유 한 양자 환경 때문에 가능합니다.

양자 컴퓨팅 분야에서 가장 중요한 작업 중 일부는 레이저 기술에서 의학에 이르기까지 모든 분야에서 팝업되는 다양한 양자 시스템을 시뮬레이션하는 알고리즘을 만드는 것입니다. 이러한 알고리즘은 유사한 기존 컴퓨팅 시뮬레이션보다 큰 차이를 보일 것입니다. 현재 분자 시뮬레이션을 수행하는 고전적인 알고리즘은 시뮬레이션 할 수있는 분자의 종류에 제한이 있습니다. 이러한 알고리즘은 일반적으로 스핀 오비탈이 70 개 미만인 분자로 제한되며, 그 이상은 시뮬레이션의 복잡성이 너무 빨리 증가하여 다루기 어려워집니다.

한편, 단일 큐비 트는 이러한 궤도 중 하나를 충분히 효율적으로 나타낼 수 있으므로 100 큐 비트 만있는 양자 컴퓨터는 1152 큐 비트를 갖지만 범용이 아닌 공간적 알고리즘을 실행하도록 제작되었습니다. 양자 컴퓨터-고전적인 컴퓨터가 시뮬레이션 할 수있는 능력에 근접하지도 않았고 아마도 결코 그렇게 할 수없는 분자 시뮬레이션을 가능하게합니다. 이러한 시뮬레이션은 여러 질병에 대한 새로운 치료법을 제공 할 수있는 이전에 알려지지 않은 모든 종류의 화합물을 잠재적으로 밝혀 낼 수 있습니다.

깊이 우선 검색 및 그래프 위의 양자 걷기부터 선형 방정식 시스템, 미분 방정식 풀기, 단열 최적화와 같은 특정 클래스의 최적화 문제에 대한 진행에 이르기까지 모든 것에 대한 양자 알고리즘이 있습니다. 그러나 이러한 알고리즘에 부족한 것은 실행하기에 충분한 큐 비트를 가진 충분히 강력한 양자 컴퓨터입니다.

하지만 영원히 그렇지는 않을 것입니다. 이러한 알고리즘을 선반에서 꺼내서 작동시킬 때가되면 비즈니스, 관리, 의학에서 가장 실망스럽고 다루기 어렵고 기하 급수적이며 요인 적으로 복잡한 문제 중 일부는 엔지니어링, 그리고 더 많은 것들이 초 다항식 시간 또는 더 빨리 해결 될 것입니다. 이러한 이득은 실제 거래이며 작동하는 논리에 의해 보장됩니다. 유일한 문제는 이러한 컴퓨터가 도착하는 데 걸리는 시간입니다.

포스트 클래식 시대를위한 컴퓨터 재정의

앞으로 고전적인 컴퓨터가 직면 한 문제는 컴퓨터 자체의 전자적 특성에 내재되어 있습니다. 단순한 전자 회로에서 진화 한 컴퓨터는 문제를 해결하기 위해 매우 구체적인 계산 방법론을 사용하므로 전자 제품이 한 세기 이상 사용해 온 순차 이진수 계산 모델에 영구적으로 고정되어 있습니다. 이 모델이 우리 기술에서 지배적 인 위치를 차지한다고해서 계산을 수행하는 유일한 방법은 아닙니다.

전자의 스핀과이 스핀이 생성하는 자기 적 특성을 이용하는 스핀 트로닉스는 현재의 강자성 데이터 저장 기술에 의존하는 하드 디스크 전체를 지울 수있는 종류 인 외부 자기 교란에 대한 불 침투성으로 인해 저장 메커니즘으로서 가장 유망 함을 보여주고있다 .

전자의 자기 특성은 또한 적어도 잠시 동안 무어의 법칙을 되 살릴 수있는 스핀 트로닉, 반도체 트랜지스터를 만들 수 있음을 시사합니다. 원자는 작을 수 있지만 거의 모든 핵입니다. 한편 핵을 공전하는 전자는 원자 자체보다 훨씬 더 작기 때문에 수천 배 많은 스핀 트로닉 트랜지스터를 현재 실리콘 칩에 집어 넣을 수 있어야합니다. 화학 문제.

실리콘 칩에 대한 집착에서 벗어나 엄청난 잠재력을 지닌 컴퓨팅 연구의 또 다른 주요 영역이 있습니다. DNA 컴퓨팅은 언뜻보기에 혼란스럽고 다소 이상해 보일 수 있지만 생각해 보면 포스트 클래식 컴퓨팅 연구 및 개발을위한 확실한 후보입니다.

DNA의 첫 번째 가닥이 단세포 유기체의 생성 및 작동에 대한 지침을 인코딩 한 이후로, 데이터 전송 및 저장을위한 강력한 메커니즘으로 성장했지만 이제 연구자들은 DNA 자체의 개별 구성 요소를 더 깊이 파고 들고 있습니다. , 그리고 그 자체로 계산 메커니즘으로서의 잠재력이 있습니다.

연구 결과에 따르면 DNA의 구성 요소 역할을하는 4 가지 아미노산 (A, T, C, G)이 인코딩 가능한 비트 역할을하도록 용도가 변경 될 수 있음이 밝혀졌습니다. 혼합되면 이러한 아미노산은 자연적으로 DNA 가닥으로 자체 조립되며 DNA뿐만 아니라 사용 가능한 물질로 가능한 모든 DNA 순열이 가능합니다.

큐 비트 중첩에 대한 작업을 수행하는 것이 진정한 병렬 컴퓨팅과 같지 않기 때문에 이것은 잠재적으로 게임을 바꾸는 혁신입니다. 양자 컴퓨터는 값 또는 결과 양자 상태 중 하나의 출력 만 제공하므로 지수 또는 계승 시간 복잡성으로 문제를 해결하는 유틸리티는 사용 된 알고리즘에 전적으로 의존합니다.

그러나 DNA 컴퓨팅은 이러한 아미노산이 DNA의 긴 가닥을 만들고 조립하는 능력을 활용합니다. 이 아미노산을 혼합하면 자연스럽게 더 길고 더 복잡해집니다. 순열 세트의 아미노산의. 당신이 시리즈를 따라왔다면 그 말이 당신에게 튀어 나왔을 것입니다. 순열은 계승 시간이 복잡한 과정이며 NP 완전 문제를 해결하려면 극복해야하는 근본적인 문제입니다. 순열은 최적화, 양자 컴퓨터조차도 찾을 수있는 것보다 최적화 해결할 수있는 힘을 넘어서는 것입니다.

이것이 바로 DNA 컴퓨팅을 흥미 진진한 새로운 발전으로 만드는 이유입니다. 여행하는 세일즈맨 문제에서 도시의 이름을 아미노산의 조합으로 인코딩하고이 모든 아미노산을 비커에 넣으면, 일단 DNA 가닥으로자가 조립되기 시작하면 여행하는 세일즈맨 문제에 대한 올바른 해결책이 될 것입니다. 이 과정에서 유기적으로 성장합니다.

1 분 이내에 여행하는 세일즈맨 문제에 대한 해결책은 DNA 가닥의 형태로 그 비커에 앉아있을 것이며,이 최적의 해결책을 분리 할 수있을 때까지 오답을 걸러내는 방법을 찾는 도전이됩니다. 최적의 DNA 가닥을 찾기 위해 수많은 잘못된 DNA 가닥을 걸러내는 것은 의심의 여지없이 작은 작업이 아닙니다. 아니 문제 순열 가능한 모든 DNA 가닥. 우리가 Shor의 알고리즘에서 보았 듯이 때로는 다루기 힘든 문제에 대한 해결책을 찾는 핵심은 해결하기 쉬운 동등한 문제로 바꾸는 것입니다.

이것은 여전히 ​​계산적으로하기 어려운 일이지만, 우리 세일즈맨이 취할 최선의 경로를 찾기 위해 순열을 무차별 적으로 강제하고 사후 검증하는 것보다 훨씬 간단합니다. DNA 컴퓨팅에 대한 지속적인 연구는 시간이 지나면 그 진정한 효능을 밝혀 줄 것이지만,자가 조립 DNA 가닥은 양자 컴퓨팅조차 주장 할 수없는 진정한 병렬 컴퓨팅의 가능성을 제공합니다.

우리는 기술 이벤트 지평에 빠르게 접근하고 있습니다

우리가 이것을보기 전에 인류는 회복하는 데 수천 년이 걸리는 새로운 암흑 시대로 스스로를 폭격하게 될 가능성이 있습니다.

진보가 보장되지는 않지만 변화는 항상 존재하며,이 새로운 암흑 시대가 나타내는 기술 및 과학적 후퇴는 다음으로의 전환에서 올 수있는 변화의 규모를 캡처 할 수있는 유일한 비교라는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 포스트 클래식 시대.

인류는 진정으로 기술적 사건의 지평선에 다가 가고 있습니다. 고전-포스트-클래식 분열의 반대편에 무언가가 있습니다. 그것은 여기에서 보는 것보다 훨씬 더 거대 할 것입니다. 그리고 우리가 그것을 통과 할 때 우리가 발견하게 될 것에 대한 어떤 예측도 다른 사람들만큼 좋습니다. .

특정 발전에 대해 추측하는 것은 재미있을 수 있지만 궁극적으로 어떤 발전보다 훨씬 더 중요한 것은 이러한 서로 다른 발전이 협력하여 생성되는 시너지 효과 일 것입니다. 시너지는 부분의 합보다 더 큰 것으로 유명하지만, 여러분의 부분이 블록 체인, 5G 네트워크, 양자 컴퓨터 및 고급 인공 지능이라는 것은 무엇을 의미합니까?

그것이 무엇이든간에, 그것은 우리가 알고있는 계산을 재정의 할 것이며, 이러한 다양한 모델을 통합함으로써 우리가 만들 새로운 시스템의 의미는 엄청날 것이기 때문에 내가 확실히 아는 유일한 것은 포스트에 대한 우리의 통과입니다. 고전 세계는 편도 여행이 보장됩니다.


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