Welchen Nutzen hat Quantencomputing gehabt?

Die meisten von uns auf dieser Site glauben, dass Quantencomputer funktionieren werden. Lassen Sie uns jedoch den Anwalt des Teufels spielen. Stellen Sie sich vor, wir stoßen plötzlich auf einen grundlegenden Stolperstein, der die weitere Entwicklung zu einem universellen Quantencomputer verhinderte. Vielleicht sind wir aus Gründen der Argumentation auf ein NISQ-Gerät (Noisy, Intermediate Scale Quantum) von 50-200 Qubits beschränkt. Das Studium des (experimentellen) Quantencomputers hört plötzlich auf und es werden keine weiteren Fortschritte erzielt.

Was hat die Erforschung von Quantencomputern bereits gebracht?

Damit meine ich realisierbare Quantentechnologien, wobei der offensichtlichste Kandidat die Quantenschlüsselverteilung ist, aber auch technische Ergebnisse, die in andere Bereiche einfließen. Anstatt nur eine Liste von Gegenständen, wäre eine kurze Beschreibung von jedem wünschenswert.

Es gibt viele interessante Anwendungen, die ähnliche Technologien verwenden. Viele Labore, die sich mit Quantencomputern befassen, veröffentlichen auch Arbeiten mit diesen Anwendungen.

Hier sind einige:

Volloptische Berechnung. Persönlich denke ich, dass dies mehr Potenzial hat als Quantencomputing, da es sich bereits als nützlich für die schnelle Verarbeitung neuronaler Netze (und anderer Algorithmen mit Matrixmultiplikation und nichtlinearen Funktionen) erwiesen hat . Diese On-Chip-Systeme werden in denselben Labors (und mit denselben Mitarbeitern) hergestellt wie messbasiertes lineares Quantencomputing . Das Entwerfen von Systemen, die schneller als die Halbleitertaktraten arbeiten können, das Verringern der minimalen Leistung pro Operation unter Verwendung von Licht und das Erhöhen der Parallelisierung werden uns wahrscheinlich sehr weit bringen, ohne die algorithmischen Architekturen ändern zu müssen.

Quantensimulation . Richard Feynmans ursprünglicher Traum von "Quantencomputern" wird heute als "quantenanaloge Simulatoren" bezeichnet. Natur wirkt wie Natur. Es kann schwierig sein, das Verhalten eines Wasserstoffatoms analytisch oder digital zu berechnen, aber die Verwendung eines Systems mit einem ähnlichen Hamilton-Operator kann "die Mathematik für Sie erledigen". Für diese Quantensimulatoren können optische Gitter (die manchmal zur Quantenberechnung von Ionen verwendet werden ) verwendet werden. Es ist sehr schwierig, Moleküle mithilfe der Grundlagenphysik zu berechnen, und die Chemie ist voller Heuristiken, um diese Schwierigkeiten zu lösen.

Quantenzustandsrekonstruktion . Ein normalerweise nicht erwähntes offenes Problem bei der Quanteninformation und beim Rechnen ist die Rekonstruktion von verschränkten Zuständen mit hohem qbit. Auch wenn das Quantencomputing nicht funktioniert, könnten Fortschritte bei diesen offenen Fragen in Zukunft hilfreich sein (z. B. Schlüsselverteilungsprotokolle und Informationstheorie).

Quantenkommunikation. Die Quantenschlüsselverteilung ist wahrscheinlich die einzige funktionierende praktische Anwendung, die bisher aus Quanteninformationen entwickelt wurde. Es ermöglicht die sichere Übertragung von Informationen ohne die Möglichkeit von Lauschangriffen. Photonengate-Operationen mit hoher Wiedergabetreue (für Quantencomputer erstellt) könnten effiziente Quantenregeneratoren ermöglichen , die die maximal zurückzulegende Strecke verlängern könnten.

Extra lustige Dinge. Ich persönlich denke, das Interessanteste ist, zu antworten, ob das Gehirn ein Quantencomputer ist. Die Möglichkeit, dass das Gehirn ein Quantencomputer ist, wurde in den letzten zehn Jahren von vielen Physikern ins Auge gefasst. Dabei wurden die hohen Temperaturen des Gehirns verworfen, um die Kohärenz zu zerstören. In letzter Zeit haben jedoch hoch angesehene (und lobenswerte) Physiker diesen Gedanken in Frage gestellt. Eine Diskussion darüber, wie Kernspins der Vermittler von Quanteninformationen sein könnten, eine Diskussion darüber, wie Experimente durchgeführt werden könnten, um zu untersuchen, ob Axone als Wellenleiter arbeiten.

Ausführen und Überprüfen grundlegender quantenmechanischer Experimente Vor den Quanten-Cloud-Computern von IBM und Alibaba benötigen Sie ein teures Labor, um einfache CHSH- oder GHZ-Experimente durchzuführen. Natürlich sind die Qubits im IBM-Computer nicht lückenlos, aber viele Institute und auch Collegeschulen könnten keine besseren Experimentiermöglichkeiten im Rahmen ihres Physikbudgets haben. Grundlegende quantenmechanische Experimente können also sehr einfach durchgeführt werden.

Quantenprogrammier-Tools und Experimente Darüber hinaus können Grundlagenforschung zur Programmierung von Quantencomputer-Tools wie Compilern und Mapping-Algorithmen jetzt auf realen Maschinen getestet werden

Dies hat zu 113 Arbeiten mit realen und getesteten Quantenalgorithmen für den IBM-Computer und viele mehr im Allgemeinen geführt. qc Papiere

Das Nachdenken über die theoretischen Fähigkeiten von Quantencomputern hat zu wichtigen Einsichten in die Theorie der klassischen Computer geführt.

Ein Beispiel ist der Beweis, dass die (klassische) Komplexitätsklasse PP im Schnitt geschlossen ist. Während es bei Beigel, Reingold und Spielman bereits einen rein klassischen Beweis gab, gibt es einen einfacheren Beweis , der Konzepte aus dem Quantencomputing verwendet.

Ein eindrucksvolleres Beispiel sind die von Ewin Tang und Mitarbeitern entdeckten klassischen Empfehlungsalgorithmen ( 1 , 2 , 3 ), die vom Quantenkerendis-Prakash-Algorithmus inspiriert wurden. Diese Algorithmen waren wirklich neu und könnten ohne die Inspiration des Quantenalgorithmus nicht entdeckt worden sein.

Das asymptotische Ausführen eines NISQ-Geräts, das einen klassischen Computer übertrifft, macht die Extended Church-Turing Thesis (ECT) ungültig .

Umfangreiche Schriften über die (nicht erweiterte) Church-Turing-These mit Auswirkungen auf philosophische Zweige wie die Philosophie des Geistes.

Die Tatsache, dass das ECT nicht nur fälschbar war, sondern wahrscheinlich auch falsch ist, allein aufgrund der Existenz eines NISQ-Geräts, das zuverlässig einen hochgradig verwickelten Zustand in hinreichender Dimension herstellt, hat meiner Meinung nach ebenfalls einige ziemlich tiefgreifende philosophische Implikationen.

Es ist selten, dass Leitprinzipien der Philosophie in einem Labor gefälscht werden können.