¿Qué hace específicamente útiles las computadoras cuánticas?

Sé que las computadoras cuánticas pueden procesar una superposición de todos los estados posibles con un solo paso a través de la lógica.

Eso parece ser lo que las personas señalan como lo que hace que las computadoras cuánticas sean especiales o útiles.

Sin embargo, después de haber procesado las entradas superposicionales, tiene un resultado superposicional, del cual solo puede hacer una sola pregunta y se contrae en un solo valor. También sé que no es posible (¿actualmente?) Clonar el estado superposicional, por lo que no puede obtener una respuesta a esa pregunta.

En ambos casos, parece que esa capacidad de procesamiento múltiple realmente no le ha dado nada, ya que es efectivamente como si solo se procesara un estado.

¿Estoy malinterpretando las cosas o la utilidad real de la computación cuántica proviene de otra cosa?

¿Alguien puede explicar qué es esa otra cosa?

computation-models quantum-computing

— Alan Wolfe
fuente

Algunas tareas pueden resolverse más rápido usando computadoras cuánticas. Vea algunos consejos en cs.stackexchange.com/a/751/157

— Ran G.

Gracias por el enlace, lo comprobaré. Sé que son más rápidos en algunas cosas, pero estoy tratando de entender cómo y por qué si puedes ayudar con eso (:

— Alan Wolfe el

El quid de la cuestión es la interferencia . Scott Aaronson ha escrito varios ensayos populares al respecto; intenta buscarlos en línea. También vea su libro "Quantum Computing Since Democritus", basado en las notas de la conferencia que se pueden encontrar aquí . En algún lugar alrededor del capítulo 10 debería ser el lugar para mirar, como punto de partida.

— Ran G.

He estado leyendo algunas de estas cosas y siguiendo algunos enlaces. ¡interesante! Me gusta cómo Scott dice que es BS que las computadoras cuánticas pueden evaluar todas las posibilidades y encontrar la respuesta correcta en un solo paso. ¿Puedo adivinar qué interferencia hace? ¿Es que destruye (o colapsa o elimina) posibles estados de la superposición que no son soluciones válidas?

— Alan Wolfe

"También sé que no es posible (¿actualmente?) Clonar el estado superposicional" El teorema de no clonación dice que esto es una imposibilidad absoluta, más que un límite de la tecnología actual. ("Absoluto" en el sentido de que, si los sistemas cuánticos realmente tratan sobre transformaciones unitarias de espacios de Hilbert, no puedes hacerlo; si las transformaciones unitarias de espacios de Hilbert resultan ser solo aproximaciones, entonces creo que quizás puedas hacerlo, después de todo .)

— David Richerby

Respuestas:

La interferencia destructiva es lo principal que hace que las computadoras cuánticas sean más potentes. En un cálculo probabilístico clásico, tener dos caminos hacia una salida siempre hace que ese resultado sea más probable. En una computadora cuántica, puede hacer que el resultado sea menos probable.

Los algoritmos cuánticos están cuidadosamente diseñados para que las respuestas incorrectas tiendan a interferirse destructivamente, dejando solo las soluciones deseadas como resultados de medición. Esto es difícil de hacer, y no todos los problemas lo permiten. El algoritmo de búsqueda de Grover es un excelente ejemplo de este efecto, así que aquí hay una publicación de nivel principiante sobre el algoritmo de Grover .

Otras propiedades útiles que las computadoras cuánticas tienen acceso a:

Enredo para mejoras de coordinación y comunicación (por ejemplo , ruptura de simetría , codificación superdensa , pruebas de campana ).
El principio de incertidumbre para la criptografía (por ejemplo , distribución de claves cuánticas , números aleatorios certificados por Einstein ).
Manipulando estados físicos reales para implementar sensores cuánticos y otros equipos de laboratorio (¿quién no querría un probador de bombas contrafactual ?).

(A Scott Aaronson le gusta decir que todo lo interesante sobre Quantum se debe a que las superposiciones preservan la norma 2 en lugar de la norma 1 como hacen las distribuciones de probabilidad. Todos los efectos útiles más específicos que mencioné se derivan de las matemáticas subyacentes).

— Craig Gidney
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Algunas de sus preguntas son preguntas teóricas abiertas. Hay varias formas de responder su pregunta. Una forma general de pensar acerca de la computación QM es que aprovecha la espintrónica, es decir, la propiedad cuántica del espín para el cómputo. Por lo tanto, es el siguiente paso lógico en la miniaturización de la electrónica / lógica y la computación en general. Existen límites teóricos sobre el ancho de la puerta que se están ignorando en la tecnología de fabricación actual, una consiguiente meseta de la ley de Moores y la spintrónica representa la "próxima frontera".

$2^x$ $x$ es el número de qubits, es decir, el aumento exponencial de la capacidad computacional para el aumento lineal de qubits. Esto suena casi como fuera de la ciencia ficción, pero es una propiedad aparentemente "real / intrínseca" hasta donde se sabe.

Un avance clave en 1996 es el algoritmo de Shor , que mostró que la factorización puede resolverse en el "tiempo polinmomial cuántico" y se acredita como un gran interés en la computación cuántica. El factoring es, por supuesto, el corazón de los sistemas criptográficos modernos en el algoritmo RSA ampliamente utilizado .

Es una pregunta teórica abierta si las computadoras cuánticas pueden resolver otros problemas importantes en un tiempo "más rápido". Esto se conoce como BPP =? Pregunta BQP .

DWave construye una controvertida computadora QM que ha demostrado ser "útil" para resolver algunos problemas, y han demostrado con éxito una forma de escala cuántica en un tipo de sistema QM "algo más débil" conocido como computación adiabática . Es una pregunta abierta si puede / alguna vez demostrará aumentos inequívocos de velocidad, activamente investigados, por ejemplo, por Google, Nasa, Lockheed, etc.

En resumen, las computadoras cuánticas no son exactamente "útiles" en el mismo sentido que las computadoras clásicas, esa naturaleza exacta de su utilidad está siendo investigada activamente, y solo existen sistemas limitados / experimentales / prototipos actuales. Se conjetura que son "al menos tan útiles" como el cómputo convencional en su realización, y posiblemente / con suerte "más útiles" en ciertas formas no exactamente previsibles.

— vzn
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ps: no se conoce ningún algoritmo clásico para factorizar números en el tiempo polinómico y es un problema importante de teoría de complejidad abierta si es posible, se conjetura que es imposible y la seguridad de RSA ("casi") depende de ello.

— vzn

Una respuesta bastante controvertida, pero tenlo en cuenta de todos modos.

¡Diría que nada hace que las computadoras cuánticas sean más útiles (al menos actualmente)!

Claro, el tratamiento teórico estándar de la mecánica cuántica en informática, con respecto a un tratamiento teórico clásico, ofrece nuevas posibilidades (como han señalado otras respuestas). Entonces, ¿cuál es el retén aquí?

$P$ $NP$

Referencias relacionadas:

— Nikos M.
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Sí, gracias por la respuesta. Es una buena perspectiva para tener en cuenta. Si pudiéramos hacer el cálculo de la norma L2, o el cálculo superposicional en una computadora que permitiera la interferencia destructiva, o similar, podríamos obtener lo que queremos algorítmicamente, sin tener que hacer una computadora cuántica. ¡Buenos puntos!

— Alan Wolfe

@AlanWolfe, yeap, busca "computadora cuántica clásica" y / o "cuántica de emulación clásica" y mira lo que obtienes. Respuesta actualizada con algunas referencias al punto

— Nikos M.