Qual a utilidade da computação quântica?

A maioria de nós neste site acredita que a computação quântica funcionará. No entanto, vamos bancar o advogado do diabo. Imagine que de repente atingimos algum obstáculo fundamental que impedia o desenvolvimento de um computador quântico universal. Talvez estejamos limitados a um dispositivo NISQ (Noisy, Intermediate Scale Quantum) de 50-200 qubits, por uma questão de argumento. O estudo da computação quântica (experimental) para repentinamente e não há mais progresso.

Qual a vantagem do estudo dos computadores quânticos?

Com isso, quero dizer tecnologias quânticas realizáveis, o candidato mais óbvio é a Quantum Key Distribution, mas também resultados técnicos que alimentam outros campos. Em vez de simplesmente uma lista de itens, uma breve descrição de cada um seria apreciada.

Existem muitas aplicações interessantes que usam tecnologia semelhante. Muitos laboratórios que trabalham para a computação quântica também publicam documentos com esses aplicativos.

Aqui estão alguns:

Computação totalmente óptica. Pessoalmente, acho que isso tem mais potencial do que a computação quântica, pois já foi demonstrado ser útil para processar rapidamente redes neurais (e outros algoritmos que envolvem multiplicação de matrizes e funções não lineares). Esses sistemas no chip são fabricados nos mesmos laboratórios (e nas mesmas pessoas) da computação quântica linear baseada em medição . Projetar sistemas capazes de operar mais rápido que as velocidades do relógio semicondutor, diminuindo a potência por operação mínima usando luz e aumentando o paralelismo provavelmente nos levará muito longe sem precisar alterar as arquiteturas algorítmicas.

Simulação quântica . O sonho original de Richard Feynman de "computadores quânticos" é agora o que chamamos de "simuladores analógicos quânticos". A natureza age como a natureza. Pode ser difícil calcular analiticamente ou digitalmente como um átomo de hidrogênio se comporta, mas o uso de um sistema com um Hamiltoniano semelhante pode "fazer as contas para você". Malhas ópticas (que às vezes são usadas para computação quântica de íons ) podem ser usadas para esses simuladores quânticos. É muito difícil fazer cálculos de moléculas usando a física fundamental e a química é cheia de heurísticas para lidar com essas dificuldades.

Reconstrução do estado quântico . Um problema aberto geralmente não mencionado em informações e computação quânticas é como reconstruir estados emaranhados de alto qbit. Mesmo que a computação quântica não funcione, os avanços nessas perguntas abertas podem ser úteis no futuro (por exemplo, principais protocolos de distribuição e teoria da informação).

Comunicação Quântica. A distribuição Quantum Key é provavelmente a única aplicação prática de trabalho criada até agora a partir de informações quânticas. Ele permite que as informações sejam transferidas com segurança, sem a possibilidade de interceptadores. As operações de gate de fótons de alta fidelidade (criadas para computadores quânticos) podem permitir repetidores quânticos eficientes , que podem estender a distância máxima que pode ser percorrida.

Coisas extra divertidas. Pessoalmente, acho que a coisa mais interessante é responder se o cérebro é um computador quântico. A possibilidade do cérebro ser um computador quântico foi revirada por muitos físicos na última década, descartando as altas temperaturas do cérebro para destruir a coerência, mas físicos altamente respeitáveis ​​(e louváveis) desafiaram recentemente essa noção. Um discutindo como os spins nucleares podem ser o mediador da informação quântica, outro discutindo como os experimentos podem ser realizados para investigar se os axônios estão operando como guias de ondas.

Executar e verificar experimentos mecânicos quânticos básicos Antes dos computadores da nuvem quântica da IBM e da alibaba, você precisaria de um laboratório caro para realizar experimentos simples de CHSH ou GHZ. É claro que os qubits no computador da IBM não estão livres de brechas, mas muitos institutos e também faculdades não poderiam ter melhores instalações de experimentos adquiridas dentro do seu orçamento de física. Portanto, experimentos básicos de mecânica quântica podem ser feitos com muita facilidade.

Ferramentas e experimentos de programação quântica Além disso, pesquisas básicas em programação de ferramentas computacionais quânticas, como compiladores e algoritmos de mapeamento, agora podem ser testadas em máquinas reais

Isso levou a 113 trabalhos com algoritmos quânticos reais e testados apenas para o computador IBM e muitos mais em geral. papéis qc

Pensar nas capacidades teóricas dos computadores quânticos levou a importantes insights sobre a teoria dos computadores clássicos.

Um exemplo é a prova de que a classe de complexidade (clássica) PP está fechada sob interseção. Embora já houvesse uma prova puramente clássica devido a Beigel, Reingold e Spielman, existe uma prova mais simples que usa conceitos da computação quântica.

Um exemplo mais impressionante são os algoritmos clássicos de recomendação ( 1 , 2 , 3 ) descobertos por Ewin Tang e colaboradores, inspirados no algoritmo quântico Kerendis-Prakash. Esses algoritmos eram genuinamente novos e podem não ter sido descobertos sem a inspiração do algoritmo quântico.

A execução de um dispositivo NISQ de uma maneira que supere assintoticamente um computador clássico invalida a Tese Estendida de Church-Turing (ECT).

Tomos volumosos escritos sobre a tese de Church-Turing (não ampliada), com implicações para ramos da filosofia, como a filosofia da mente.

O fato de que a ECT não era apenas falsificável, mas também provavelmente falsa, apenas em virtude da existência de um dispositivo NISQ preparando confiavelmente um estado altamente emaranhado em dimensão alta o suficiente, acho que também tem algumas implicações filosóficas bastante profundas.

É raro que princípios filosóficos orientadores possam ser falsificados em laboratório.