Warum und wie ist ein Quantencomputer schneller als ein normaler Computer?

Ich lese gerade ein Buch (und eine Menge Wikipedia) über Quantenphysik und ich muss erst noch verstehen, wie ein Quantencomputer schneller sein kann als die Computer, die wir heute haben.

Wie kann ein Quantencomputer ein Problem in subexponentieller Zeit lösen, das ein klassischer Computer nur in exponentieller Zeit lösen kann?

Ein Quantencomputer allein ist nicht schneller. Stattdessen hat es ein anderes Berechnungsmodell . In diesem Modell gibt es Algorithmen für bestimmte (nicht alle!) Probleme, die asymptotisch schneller sind als die schnellstmöglichen (oder für einige Probleme am schnellsten bekannten) klassischen Algorithmen.

Ich empfehle The Limits of Quantum von Scott Aaronson zu lesen : Es ist ein kurzer, populärer Artikel, der genau erklärt, was wir von Quantencomputern erwarten können.

Die Grundidee ist, dass sich Quantengeräte gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden können. Typischerweise kann ein Partikel gleichzeitig hoch und runter gedreht werden. Dies nennt man Überlagerung. Wenn Sie n Partikel kombinieren, können Sie etwas haben, das sich überlagern kann$2^n$Zustände. Wenn Sie es dann schaffen, beispielsweise Bolean-Operationen auf überlagerte Zustände (oder überlagerte Symbole) zu erweitern, können Sie mehrere Berechnungen gleichzeitig durchführen. Dies hat Einschränkungen, kann jedoch einige Algorithmen beschleunigen. Ein großes physikalisches Problem besteht darin, dass es schwieriger ist, die Überlagerung auf größeren Systemen aufrechtzuerhalten.

Es ist ein offenes Problem, das der neuesten Forschung unterworfen ist, ob Quantenalgorithmen jemals schneller als "klassische" Algorithmen sein werden, sowohl auf theoretischer als auch auf angewandter Ebene. in der Komplexitätstheorie spiegelt sich dies in der Frage wider, zB BQP =? P dh ob die Quantenberechnungsklasse "P" der klassischen Klasse P (Polynomial Time) entspricht oder nicht & es gibt viele andere offene Fragen.

Es gibt einen sehr interessanten und signifikanten Datenpunkt: Der preisgekrönte Shors-Algorithmus faktorisiert Zahlen in P-Quantenzeit, es ist jedoch noch nicht bekannt, ob es einen klassischen P-Zeit-Faktorisierungsalgorithmus gibt.

Eine neue Richtung in den letzten Jahren ist die Arbeit am adiabatischen Quanten-Computing, das einfacher zu implementieren / zu konstruieren ist als andere Standardmethoden, die den QBIT-Transport beinhalten (aber immer noch extrem schwierig zu implementieren sind).

Die einzigen Quantencomputer, die jemals von Dwave-Systemen gebaut wurden, sind derzeit Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Untersuchungen und Kontroversen in Bezug auf ihre tatsächlichen Quanteneffekte und -leistungen . es ist sehr teuer und übertrifft im Grunde genommen einen Desktop-Computer nicht, wenn der klassische Code vollständig (menschlich / handlich) optimiert ist. Es lässt sich jedoch mit Recht behaupten, dass noch keine andere Unternehmens-, Regierungs- oder Universitätsforschungsinstitution in der Nähe ihres Niveaus des angewandten / technischen / technischen Fortschritts zu sein scheint.

Die wissenschaftlichen Aussichten sind im Moment trübe und einige wissenschaftliche Experten / Kritiker / Skeptiker, z. B. Dyakonov, haben lange geglaubt / argumentiert, dass skalierbare QM-Computer aufgrund unüberwindlicher technischer Schwierigkeiten und / oder Barrieren niemals zustande kommen werden.

Ich habe einen Beweis, der besagt, dass selbst die Quantenkraft ihre Grenzen hat.

Quantencomputer haben es sehr schwer, an ein Kilobit Qbit zu kommen. Aber selbst wenn sie nur dort ankommen, ist es ziemlich mächtig.

16384 qbits ergeben 128 Raumdimensionen in 128 Zeitschritten, vollständige Suche, das ist erstaunlich, 100 Zeitschritte 100 Dimensionswahrscheinlichkeitsbaum !!! Aber erwarten Sie in naher Zukunft nicht mehr als diesen Betrag für Quanten.

Ein Quantensystem ist ein System, das in einem oder mehreren Quantenzuständen mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten existiert, die durch Umgebungsbedingungen bestimmt werden. Unter der Annahme, dass ein Quantencomputer alle Zustände eines n-Bit-Quantensystems enthält, reduziert die Extraktion eines dieser Zustände das System auf einen der Zustände. Dies ähnelt einer Hash-Funktion, bei der mit O (1) nach einem Bucket ohne Iteration gesucht wird. Zwei Dinge sind erforderlich, die Quantenspeicherung der n-Bit-Systeme und eine hashartige Funktion, um den benötigten Zustand zu kollabieren. Die Nebenbedingungen spielen die Rolle verschiedener Hash-Funktionen, um das n-Bit-System in den gewünschten Zustand zu bringen.

Stellen Sie sich das so vor: Es gibt Probleme, die gelöst werden können, indem eine ganze Reihe von Einzelfällen gelöst werden [Beispiel: Faktorisierung durch Prozesseinteilung]. Die Lösung dieser Probleme nimmt viel Zeit in Anspruch, wenn die Teilfälle nacheinander gelöst werden müssen. Sie können viel schneller gelöst werden, wenn genügend Hardware zur Verfügung gestellt wird, um alle Teilfälle parallel zu lösen. Dies ist jedoch nicht praktikabel, da die erforderliche Hardwaremenge mit der Größe des Problems zunimmt. Quantum Computing nutzt die Funktion zur Überlagerung von Zuständen der Quantenmechanik, um die Bereitstellung von genügend Hardware zu simulieren - dh jeder Zustand in der Überlagerung ist die Maschine für einen der Unterfälle. Beachten Sie, dass diese Simulation NICHT von der Software, sondern von der Natur selbst durchgeführt wird.