Jakie były zastosowania obliczeń kwantowych?

Większość z nas na tej stronie uważa, że ​​obliczenia kwantowe będą działać. Zagrajmy jednak w adwokata diabła. Wyobraź sobie, że nagle uderzyliśmy w jakąś podstawową przeszkodę, która uniemożliwiła dalszy rozwój w kierunku uniwersalnego komputera kwantowego. Być może ograniczamy się do urządzenia NISQ (Noisy, Intermediate Scale Quantum) o wielkości 50-200 kubitów, ze względu na argument. Badanie (eksperymentalne) obliczeń kwantowych nagle zatrzymuje się i nie poczyniono dalszych postępów.

Co dobrego już przyniosło badanie komputerów kwantowych?

Rozumiem przez to możliwe do zrealizowania technologie kwantowe, najbardziej oczywistym kandydatem jest Kwantowa dystrybucja klucza, ale także wyniki techniczne, które wpływają na inne dziedziny. Doceniony zostanie krótki opis każdego z nich.

Istnieje wiele ciekawych aplikacji korzystających z podobnej technologii. Wiele laboratoriów zajmujących się obliczeniami kwantowymi również publikuje artykuły z tymi aplikacjami.

Oto niektóre:

Obliczenia całkowicie optyczne. Osobiście uważam, że ma to większy potencjał niż obliczenia kwantowe, ponieważ już wykazano, że jest on użyteczny do szybkiego przetwarzania sieci neuronowych (i innych algorytmów obejmujących mnożenie macierzy i funkcje nieliniowe). Te układy scalone są wykonywane w tych samych laboratoriach (i tych samych ludziach), co oparte na pomiarach liniowe obliczenia kwantowe . Projektowanie systemów zdolnych do działania z prędkością większą niż częstotliwość zegara półprzewodnikowego, obniżenie minimalnej mocy na operację za pomocą światła i zwiększenie równoległości doprowadzi nas prawdopodobnie bardzo daleko bez konieczności zmiany architektury algorytmicznej.

Symulacja kwantowa . Oryginalne marzenie Richarda Feynmana o „komputerach kwantowych” nazywane jest obecnie „symulatorami kwantowo-analogowymi”. Natura działa jak natura. Obliczenie analitycznego lub cyfrowego zachowania atomu wodoru może być trudne, ale użycie systemu z podobnym hamiltonianem może „zrobić matematykę za ciebie”. W tych symulatorach kwantowych można zastosować sieci optyczne (które są czasami używane do kwantowego obliczania jonów ). Obliczenia cząsteczek przy użyciu podstawowej fizyki są bardzo trudne, a chemia jest pełna heurystyki, aby poradzić sobie z tymi trudnościami.

Rekonstrukcja stanu kwantowego . Zwykle niewymienionym otwartym problemem w informacjach kwantowych i obliczeniach jest sposób rekonstrukcji stanów splątanych o wysokiej qbicie. Nawet jeśli obliczenia kwantowe się nie sprawdzą, postępy w tych otwartych pytaniach mogą być pomocne w przyszłości (na przykład w przypadku protokołów dystrybucji kluczy i teorii informacji).

Komunikacja kwantowa. Dystrybucja klucza kwantowego jest prawdopodobnie jedyną działającą praktyczną aplikacją stworzoną do tej pory z informacji kwantowej. Pozwala na bezpieczne przesyłanie informacji bez możliwości podsłuchiwania. Operacje bramki fotonowej o wysokiej wierności (stworzone dla komputerów kwantowych) mogłyby pozwolić na wydajne repeatery kwantowe , które mogłyby zwiększyć maksymalną odległość, którą można przebyć.

Dodatkowe rzeczy do zabawy. Osobiście uważam, że najciekawszą rzeczą jest odpowiedzenie, czy mózg jest komputerem kwantowym. Prawdopodobieństwo, że mózg jest komputerem kwantowym, zostało przewrócone przez wielu fizyków przez ostatnią dekadę, odrzucając wysokie temperatury mózgu w celu zniszczenia spójności, ale wysoce renomowani (i godni pochwały) fizycy ostatnio zakwestionowali to pojęcie. Jeden dyskutuje, w jaki sposób spiny jądrowe mogą być mediatorem informacji kwantowej, drugi dyskutuje, w jaki sposób można przeprowadzić eksperymenty w celu zbadania, czy aksony działają jako falowody.

Wykonuj i sprawdzaj podstawowe eksperymenty kwantowo-mechaniczne Przed komputerami IBM i alibaba w chmurze kwantowej potrzebne byłoby drogie laboratorium do wykonywania prostych eksperymentów CHSH lub GHZ. Oczywiście kubity w komputerze IBM nie są wolne od luk, ale wiele instytutów, a także szkół wyższych nie mogło mieć lepszych urządzeń do eksperymentów zakupionych w ramach budżetu na fizykę. Tak więc podstawowe eksperymenty z mechaniką kwantową można wykonać bardzo łatwo.

Kwantowe narzędzia programistyczne i eksperymenty Ponadto podstawowe badania w programowaniu kwantowych narzędzi komputerowych, takich jak kompilatory i algorytmy mapowania, można teraz przetestować na prawdziwych maszynach

Doprowadziło to do 113 artykułów z prawdziwymi i przetestowanymi algorytmami kwantowymi dla samego komputera IBM i wielu innych. dokumenty qc

Myślenie o teoretycznych możliwościach komputerów kwantowych doprowadziło do ważnych wniosków na temat teorii komputerów klasycznych.

Jednym z przykładów jest dowód, że (klasyczna) klasa złożoności PP jest zamknięta na przecięciu. Chociaż był już czysto klasyczny dowód ze względu na Beigela, Reingolda i Spielmana, istnieje prostszy dowód, który wykorzystuje koncepcje z obliczeń kwantowych.

Bardziej imponującym przykładem są klasyczne algorytmy rekomendacji ( 1 , 2 , 3 ) odkryte przez Ewin Tanga i współpracowników, zainspirowane kwantowym algorytmem Kerendis-Prakash. Algorytmy te były naprawdę nowe i mogły nie zostać odkryte bez inspiracji algorytmem kwantowym.

Wykonanie urządzenia NISQ w sposób, który asymptotycznie przewyższa klasyczny komputer, unieważnia Rozszerzoną tezę Turinga (ECT).

Obszerne tomy pisane o (nierozszerzonej) tezie Kościoła Turinga, z implikacjami dla gałęzi filozofii, takich jak filozofia umysłu.

Fakt, że ECT był nie tylko sfałszowany, ale również prawdopodobnie fałszywy, ponieważ istniało urządzenie NISQ, które niezawodnie przygotowuje wysoce uwikłany stan w wystarczająco wysokim wymiarze, myślę, że ma to również dość głębokie implikacje filozoficzne.

Rzadko zdarza się, aby wiodące zasady filozoficzne zostały sfałszowane w laboratorium.