A lei de Moore se aplica à computação quântica?

Claro e simples. A lei de Moore se aplica à computação quântica ou é semelhante, mas com os números ajustados (por exemplo, triplica a cada 2 anos). Além disso, se a lei de Moore não se aplica, por que os qubits a alteram?

Se você tomar como definição " o número de transistores em um circuito integrado denso dobra a cada dois anos ", definitivamente não se aplica: como respondido aqui em Os 'elementos fundamentais do circuito' têm correspondência nas tecnologias quânticas? não existem transistores como componentes fundamentais (nem existem paralelos fundamentais aos transistores) em um computador quântico.

Se você tomar uma definição mais geral de que " o desempenho do chip dobra aproximadamente a cada 18 meses ", a pergunta faz mais sentido e a resposta ainda é que não se aplica , principalmente porque a lei de Moore não é uma da Física fundamental. Antes, nos estágios iniciais, era uma observação de uma indústria estabelecida. Mais tarde, como apontado em um comentário, [1] foi descrito como funcionando como um " alvo em evolução " e como uma " profecia auto-realizável " para o mesmo setor.

A chave é que não temos uma indústria estabelecida que produz computadores quânticos. Não estamos no equivalente quântico de 1965. Provavelmente vamos nos mover mais rápido, mas em muitos aspectos estamos nos séculos XVII-XVIII. Para uma perspectiva, verifique esta linha do tempo do hardware de computação antes de 1950 .

Para uma resposta mais produtiva, existem algumas diferenças fundamentais e alguns possíveis paralelos entre o hardware clássico e quântico, no contexto da lei de Moore:

• Para muitas arquiteturas, em certo sentido, já trabalhamos com o menor componente possível. Embora possamos desenvolver armadilhas de íons (de tamanho fixo) ajustando mais íons, mas não podemos desenvolver íons menores: eles são de tamanho atômico.
• Mesmo quando somos capazes de criar truques, como três qubits de spin endereçáveis ​​em um ímã molecular de íon único , eles ainda são fundamentalmente limitados pela mecânica quântica. Precisamos controlar 8 níveis de energia para controlar 3 qubits ( ), o que é factível, mas não escalável.$2^n$
• Precisamente porque o problema da escalabilidade é um dos problemas mais difíceis que temos com os computadores quânticos - não apenas com um número maior de qubits, mas também comprando os e-mails - é perigoso extrapolar o progresso atual. Veja a ilustração da história dos computadores quânticos de RMN , que paralisaram após uma série de sucessos iniciais. Em teoria, aumentar o número de qubits no dispositivo foi trivial. Na prática, toda vez que você quiser controlar mais 1 qubit, precisará dobrar a resolução da sua máquina, o que se torna inviável muito rapidamente.
• Se e quando existir uma indústria que depende de uma tecnologia em evolução capaz de produzir algum tipo de chips quânticos integrados, então sim, nesse ponto seremos capazes de traçar um paralelo real à lei de Moore. Para uma amostra de quão longe estamos desse ponto, consulte Existem estimativas sobre a complexidade da engenharia quântica escalável com o tamanho?

[1] Obrigado a Sebastian Mach por esse insight e link da wikipedia . Para obter mais detalhes sobre isso, consulte Unindo Novas Tecnologias: Estudos em Fazer Ordem Sociotécnica, editado por Cornelis Disco, Barend van der Meulen, p. 206 e Gordon Moore diz aloha à Lei de Moore .

tl; dr - A lei de Moore não se aplica necessariamente à indústria de computação quântica. Um fator decisivo pode ser se os processos de fabricação podem ser iterativamente aprimorados para aumentar exponencialmente algo análogo à contagem de transistores ou aproximadamente proporcional ao desempenho.

Antecedentes: a lei de Moore e por que ela funcionou

É importante observar que a lei de Moore era sobre o número de transistores em circuitos integrados de alta densidade, não o desempenho ou a velocidade dos eletrônicos, apesar das reafirmações aproximadas comuns da lei de Moore.

A lei de Moore é a observação de que o número de transistores em um circuito integrado denso dobra a cada dois anos.

- "Lei de Moore" , Wikipedia

O volume de um transistor caiu pela metade a cada dois anos.

Então a pergunta se torna: por que os transistores foram capazes de encolher tão rapidamente?

Isso ocorreu principalmente porque os transistores são basicamente feitos de fios fabricados microscopicamente em um circuito integrado e, à medida que a tecnologia de fabricação avançava, conseguimos fabricar fios cada vez menores:

     .

O processo de fabricação de fios pequenos e malucos em um circuito integrado exigiu muito conhecimento de pesquisa; portanto, o pessoal da indústria basicamente decidiu melhorar iterativamente seus processos de fabricação a um ritmo tão alto para manter a lei de Moore.

No entanto, a lei de Moore agora está basicamente terminada. Nossos processos de fabricação estão se aproximando da escala atômica, de modo que a física da situação está mudando; portanto, não podemos continuar diminuindo ainda mais.

A lei de Moore pode funcionar para componentes quânticos?

Como observado acima, a lei de Moore está basicamente terminando agora. Os computadores provavelmente aumentarão a velocidade devido a outros avanços, mas não estamos planejando fazer transistores subatômicos no momento. Portanto, apesar do forte desejo da indústria em mantê-lo, parece improvável.

Se assumirmos um comportamento semelhante em uma indústria de computação quântica futura, poderemos assumir que algo como a lei de Moore poderá surgir se a indústria se encontrar em uma posição semelhante, onde ela pode melhorar iterativamente o processo de fabricação dos componentes para aumentar exponencialmente sua contagem (ou métrica semelhante).

No momento, não está claro o que os fabricantes de computadores quânticos métricos industriais básicos podem melhorar iterativamente ao longo das décadas para recriar uma tendência como a lei de Moore, principalmente porque não está claro que tipo de tecnologias arquitetônicas de computação quântica pode encontrar uma implantação generalizada, como os circuitos integrados modernos.

A primeira coisa a entender sobre a lei de Moore é que ela não é uma lei no sentido absoluto, matematicamente comprovável ou mesmo postulada (como uma lei da física). Realmente, era apenas uma regra de ouro que dizia que o número de transistores em um processador dobraria a cada x anos. Isso pode ser visto da maneira que o valor x mudou ao longo do tempo. Originalmente, era x = 1, depois se tornava x = 2, depois o que era aplicado (velocidade do processador) mudou. Ele provou ser uma regra prática, em parte porque era a regra usada para definir destinos para as novas gerações de processadores.

Portanto, não há absolutamente nenhuma razão para que a lei de Moore se aplique aos computadores quânticos, mas não seria razoável supor que, após algum limite básico, os números de qubit dobrem a cada ano. Para a maioria das implementações da computação quântica, ainda não temos pontos de dados suficientes para começar a extrapolar uma estimativa para o valor y. Alguns podem argumentar que ainda não está claro se estamos na era do “tubo de vácuo” ou “transistor” da computação quântica (a lei de Moore não começou até a era dos transistores).

Podemos começar a tentar extrapolar para alguns sistemas. Por exemplo, a D-wave tem um histórico de dobrar o tamanho do processador. Isso começou como y = 1 e atualmente tem cerca de y = 2. Obviamente, este não é um dispositivo universal de computação quântica. A próxima melhor coisa que podemos observar é o processador quântico da IBM. Em um ano, o computador disponível na experiência quântica da IBM passou de 5 qubits para 16, embora eu não ache razoável extrapolar com base nisso.

Claro e simples. A lei de Moore se aplica à computação quântica ou é semelhante, mas com os números ajustados (por exemplo, triplica a cada 2 anos). Além disso, se a lei de Moore não se aplica, por que os qubits a alteram?

Uma ótima pergunta, com ótimas respostas; ainda, tentarei minha mão nisso.

Não, a maioria dos computadores quânticos não possui qubits criados em silício; mesmo os poucos que não são criados utilizando litografia computacional . A computação quântica está nos seus primeiros dias, não pode ser comparada diretamente a uma tecnologia madura de um tipo totalmente diferente.

Informações para apoiar essa resposta curta:

Esta pergunta foi feita na physics.SE: " Razoável esperar a lei de Moore para a computação quântica? ", Recebendo uma resposta; não particularmente bem recebido (400 visualizações em 144 dias e 1 UpVote).

É denominado Lei de Rose , por alguns; após o CTO da D-Wave Systems. Veja este artigo: " A lei de Rose para computação quântica é a lei de Moore sobre esteróides " ou a página do Flickr do diretor administrativo da empresa de investimentos Draper Fisher Jurvetson, Steve Jurvetson: " A lei de Rose para computadores quânticos ".

O gráfico está um pouco adiantado e se aplica a computadores de recozimento quântico , não é exatamente comparável à computação quântica universal .

A razão pela qual a Lei de Moore não é exatamente comparável é porque se refere a transistores e a um processo de fabricação totalmente diferente, você está comparando um processo de fabricação que foi estabelecido na época com um em que o computador está nos primeiros dias e é essencialmente construído à mão.

A página da Wikipedia descreve a Lei de Moore da seguinte maneira:

"A lei de Moore é a observação de que o número de transistores em um circuito integrado denso dobra a cada dois anos. A observação recebeu o nome de Gordon Moore, co-fundador da Fairchild Semiconductor e Intel, cujo trabalho de 1965 descreveu uma duplicação a cada ano no número de componentes por circuito integrado, e projetou que essa taxa de crescimento continuaria por pelo menos mais uma década.Em 1975, aguardando a próxima década, ele revisou a previsão para dobrar a cada dois anos.O período é frequentemente citado como 18 meses porque do executivo da Intel, David House, que previu que o desempenho do chip dobraria a cada 18 meses (sendo uma combinação do efeito de mais transistores e os transistores sendo mais rápidos) ".

Os gráficos de Gordon E. Moore de 1965 eram assim:

O artigo de Max Roser e Hannah Ritchie (2018) - " Progresso Tecnológico ", publicado online no OurWorldInData.org, explica como as equações exponenciais foram usadas para descrever tudo, desde a Lei de Moore, poder computacional (operações por segundo e velocidade de clock * núcleos * threads), o progresso do vôo humano ou mesmo o seqüenciamento do DNA do genoma humano.

A lei de Moore é uma observação e projeção de uma tendência histórica e não uma lei física ou natural . Embora a taxa tenha se mantido estável de 1975 até por volta de 2012, a taxa foi mais rápida durante a primeira década. Uma análise nostálgica dos primeiros dias da computação pessoal é apresentada neste recurso da Ars Technica: " A criação do laptop moderno: uma análise aprofundada das baterias de íon de lítio, design industrial, lei de Moore e muito mais ".

Nestas Comunicações da ACM, vol. Artigo nº 60: " Leis exponenciais do crescimento da computação ", explicam os autores Denning e Lewis:

"Os três tipos de crescimento exponencial, como observado - duplicação de componentes, velocidades e adoção de tecnologia - foram todos agrupados sob o título da Lei de Moore. Porque a Lei de Moore original se aplica somente a componentes em chips, não a sistemas ou famílias de outros fenômenos devem estar em ação.Usaremos o termo "Lei de Moore" para a regra de duplicação de componentes que Moore propôs e "crescimento exponencial" para todas as outras medidas de desempenho que traçam linhas retas em papel de registro. Podemos continuar a esperar um crescimento exponencial no poder computacional de nossas tecnologias?

O crescimento exponencial depende de três níveis de adoção no ecossistema de computação (veja a tabela aqui). O nível do chip é o domínio da Lei de Moore, conforme observado. No entanto, os chips mais rápidos não conseguem realizar seu potencial, a menos que o sistema do computador host suporte velocidades mais altas e que as cargas de trabalho do aplicativo forneçam trabalho computacional paralelo suficiente para manter os chips ocupados. E os sistemas mais rápidos não podem atingir seu potencial sem a rápida adoção pela comunidade de usuários. O processo de melhoria nos três níveis deve ser exponencial; caso contrário, o nível do sistema ou da comunidade seria um gargalo e não observaríamos os efeitos frequentemente descritos como a Lei de Moore.

Com o suporte a modelos matemáticos, mostraremos o que permite a duplicação exponencial em cada nível. A tecnologia da informação pode ser única para sustentar o crescimento exponencial nos três níveis. Concluiremos que a Lei de Moore e a duplicação exponencial têm bases científicas. Além disso, é provável que o processo de duplicação exponencial continue em várias tecnologias nas próximas décadas.

Auto-realização

A conquista contínua representada pela Lei de Moore é extremamente importante para a economia digital. O economista Richard G. Anderson disse: "Numerosos estudos rastrearam a causa da aceleração da produtividade para inovações tecnológicas na produção de semicondutores que reduziram drasticamente os preços desses componentes e dos produtos que os contêm (além de expandir as capacidades de tais 1 Robert Colwell, Diretor do Escritório de Tecnologia de Microsistemas da DARPA, ecoa a mesma conclusão, e é por isso que a DARPA investiu na superação de gargalos tecnológicos nas tecnologias pós-Lei de Moore.5 Se e quando a Lei de Moore termina, o impacto desse fim sobre a economia será profunda.

Não é de admirar, então, que a explicação padrão da lei seja econômica; tornou-se uma profecia auto-realizável de todas as empresas de chips para impulsionar a tecnologia para atender ao crescimento exponencial esperado e sustentar seus mercados. Uma profecia auto-realizável é uma previsão que se faz realidade. Na maior parte dos últimos 50 anos de computação, os designers enfatizaram o desempenho. Mais rápido é melhor. Para obter maior velocidade, os arquitetos de chips aumentaram a densidade dos componentes adicionando mais registros, funções de nível superior, memória cache e múltiplos núcleos à mesma área de chips e à mesma dissipação de energia. A lei de Moore tornou-se um objetivo de design ".

A Lei de Moore teve muita ajuda, moldar o futuro e manter o crescimento era um objetivo daqueles que tinham lucro; não totalmente restrito por limitações tecnológicas. Se os consumidores queriam algo, às vezes isso era fornecido e, outras vezes, uma idéia melhor era oferecida; o que era popular (velocidade do relógio) vendido com um prêmio e o que, ao mesmo tempo, não era bem compreendido (mais núcleos e threads) foi promovido como o caminho a seguir.

A Lei de Moore foi bem recebida, evoluindo para muitas coisas, como " A Lei dos Aceleradores de Retorno " , de Kurzweil . Aqui está uma versão atualizada da Lei de Moore (baseada no gráfico de Kurzweil):

Outro gráfico baseado em fatos é fornecido pelo gráfico do Top500.Org sobre o crescimento exponencial da potência do SuperComputador:

O artigo da Universidade de Ciência e Tecnologia do Missouri: " Prevendo a adoção pelo consumidor de inovação tecnológica: escolhendo os modelos de difusão apropriados para novos produtos e serviços antes do lançamento ", explica que o modelo Bass (uma modificação da curva logística ) é um método sólido para prever o futuro crescimento (com base em estatísticas passadas).

A curva logística apresenta um início lento, um grande progresso a médio prazo, seguido de uma eventual desaceleração; frequentemente substituído por algo novo.

Nos modelos de previsão, os autores disseram o seguinte:

" MODELOS

$m$. Isso resultou em um modelo (Bv) que superou qualquer um dos outros no contexto radical de inovação de baixo preço. Infelizmente, houve apenas uma inovação nesse contexto - recomenda-se uma pesquisa adicional para testar a viabilidade dessa variação com mais conjuntos de dados em vários contextos.

O modelo Logística Simples é um dos modelos de difusão mais antigos conhecidos. É um modelo muito básico, mas claramente superou os outros modelos no contexto de realmente novas inovações de baixo preço. O modelo de Gompertz não é recomendado para prever a difusão de inovações realmente novas ou radicais antes do lançamento de uma inovação. No entanto, o modelo Gompertz pode ser muito adequado para previsões geradas bem após o lançamento de uma inovação. Embora não seja o foco desta pesquisa, observou-se que a difusão da inovação da Televisão de projeção segue uma curva de Gompertz perfeita.

$c$

A posição de Moore como co-fundador da Intel ajudou a garantir que ele pudesse ajudar sua previsão a se tornar realidade e mantê-la no caminho certo. A computação quântica está muito próxima da sua gênese para ser levada adiante, simplesmente investindo dinheiro nela, com tantos caminhos para criar um dispositivo bem-sucedido de computação quântica que o dinheiro precisa ser repartido com sabedoria para obter o máximo de ganhos dos muitos ramos que a pesquisa adotou.

" O Roteiro Europeu das Tecnologias Quânticas " (11 de dezembro de 2017) lista alguns dos desafios, após a introdução:

" Introdução

$^N$

(1) um conjunto facilmente extensível de qubits bem caracterizados

(2) cujos tempos de coerência são longos o suficiente para permitir uma operação coerente

(3) e cujo estado inicial pode ser definido

(4) Os qubits do sistema podem ser operados logicamente com um conjunto universal de portas

(5) e o estado final pode ser medido

(6) Para permitir a comunicação, qubits estacionários podem ser convertidos em móveis

(7) e transmitidos fielmente.

Entende-se também que é essencial para a operação de qualquer computador quântico corrigir erros inevitáveis ​​e muito mais prováveis ​​do que nos computadores clássicos.

Atualmente, os processadores quânticos são implementados usando uma variedade de sistemas físicos. Até agora, os processadores quânticos que operam em registros de tais qubits conseguiram demonstrar muitas instâncias elementares de algoritmos e protocolos quânticos. O desenvolvimento de um computador quântico grande com todos os recursos enfrenta um desafio de escalabilidade, que consiste em integrar um grande número de qubits e corrigir erros quânticos. Diferentes arquiteturas tolerantes a falhas são propostas para enfrentar esses desafios. Os esforços crescentes de laboratórios acadêmicos, startups e grandes empresas são um sinal claro de que a computação quântica em larga escala é considerada uma meta desafiadora, mas potencialmente recompensadora ".

...

Existem muitos caminhos para escolher e determinar o melhor caminho a seguir, para traçar um modelo de crescimento (como a Lei de Moore), nem se deve esperar uma linha reta.

No computador da D-Wave, cada duplicação de qubits representa uma duplicação da potência computacional; para o subconjunto de problemas para o qual é adequada, para computadores quânticos universais, cada qubit adicional representa uma duplicação de potência; infelizmente, cada qubit único precisa ser representado por vários qubits, para permitir a correção de erros e manter a coerência. Algumas tecnologias usadas para implementar qubits permitem que menos ou únicos qubits sejam usados, pois não são propensos a erros e têm maior coerência e maior fidelidade. A velocidade do controle também é uma consideração importante ao escolher qual tecnologia implementar e, embora isso afete o gráfico da curva, está fora do escopo da resposta oferecida aqui.

Outras leituras: " Controle coerente de elétrons únicos: uma revisão do progresso atual " (1 de fevereiro de 2018), " Controle elétrico rápido assistido por hiperfina de spins nucleares dopantes em semicondutores " (30 de março de 2018), " A> 99,9% - quantum de fidelidade -dot spin qubit com coerência limitada pelo ruído de carga "(4 de agosto de 2017).

Este artigo parece explicar adequadamente o que você está perguntando. Ele mostra o crescimento de qubits utilizáveis ​​em computadores quânticos.

Portanto, surge a questão de saber se a Lei de Moore também pode ser aplicada a qubits quânticos. E as primeiras evidências sugerem que, de fato, [...]

A linha adiabática seria uma previsão para máquinas de recozimento quântico como os computadores D-Wave. Eles seguiram a previsão da Lei de Moore de perto até agora, com o D-Wave 1 com 128 qubits em 2011, o D-Wave 2 com 512 qubits em 2013, o D-Wave 2X com 1097 qubits em 2015 e uma máquina de 2048 qubit. em 2017. [...]

A curva Física prevê o número de qubits físicos que estarão disponíveis. Há menos dados históricos sobre eles, mas há indicações de que eles também progredirão rapidamente. Como exemplos, a IBM possui uma máquina de 5 qubit disponível na nuvem por meio do IBM Quantum Experience e o Google demonstrou uma máquina de 9 qubit. Ambas as empresas e outras indicaram que essas densidades aumentarão rapidamente, de modo que a curva Física mantém a taxa de melhoria de uma duplicação a cada ano nos próximos 10 anos e uma duplicação a cada dois anos a partir de então.