Inwiefern können Quanteninformationen für die Grundlagenphysik wichtig sein?

Es scheint, dass Quanteninformationen ernsthaft als etwas sehr Wichtiges für die Grundlagenphysik und insbesondere für die Quantengravitation betrachtet wurden.

Das ist zum Beispiel das Thema der diesjährigen Perspektiven Theoretische Physik . Wir sehen also, dass es scheint, dass einige ziemlich große Namen in der Community, die sich hauptsächlich auf rein theoretische und grundlegende Probleme konzentrieren, wie Witten und Susskind, die Quanteninformation diesbezüglich ziemlich ernst nehmen. In der Programmbeschreibung dieser Veranstaltung heißt es:

PiTP 2018 trägt den Titel „From Qubits to Spacetime“ und behandelt Themen, die von den Verbindungen zwischen Quanteninformationen und der Struktur der Raumzeit bis hin zur Manipulation von Informationen durch die Dynamik und der Einbeziehung von Quanteneffekten in die Thermodynamik von Schwarzen Löchern reichen.

Auf der anderen Seite scheint es jedes Mal, wenn ich anfange, einen Blick darauf zu werfen, das Gegenteil zu sein. Es scheint, als ginge es bei dem Deal mit Quantum Information nur darum, wie man einen Quantencomputer herstellt. Am Ende scheint es also, dass es bei der Auseinandersetzung mit Quanteninformationen nicht genau darum geht, „wie sich die Natur grundsätzlich verhält“, sondern vielmehr darum, „wie wir das Quantenverhalten der Natur nutzen können, um Technologie zu schaffen“.

Dies kann zum Beispiel in Quantenalgorithmen , Quantenfehlerkorrektur , Quantenkriptographie usw. der Fall sein. Wie in der Informatik scheint dies also die klare Absicht zu haben, die Natur nicht sehr tief zu verstehen, sondern sie für die Schaffung von Technologie nutzbar zu machen. Gerade hier versucht man, die Eigenschaften von Quantensystemen zu nutzen, um bessere Computer zu bauen.

Das ist an sich alles schön, aber ich kann mir nicht vorstellen, wie all dies mit der Grundlagenphysik so weit verbunden werden kann, dass es mit der Quantengravitation, der Stringtheorie und so weiter in Verbindung gebracht wird. Ich meine, welche Natur kümmert sich um Algorithmen, Fehlerkorrektur und Kryptografie? Das sind Dinge, die uns Menschen interessieren, die bessere Technik wollen. Ich kann mir nicht vorstellen, warum eine grundlegende Naturkraft wie die Schwerkraft in ihrer grundlegendsten Form überhaupt mit diesen Dingen in Verbindung stehen sollte.

Die Frage hier lautet also: Wenn einerseits Quanteninformationen extrem an die Technologieentwicklung in der Informatik gebunden zu sein scheinen, wie kann sie dann so wichtig sein, wie es scheint, für das Verständnis der Grundlagenphysik und insbesondere der Quantengravitation und der Strings? Theorie?

Bearbeiten: Vielleicht war das OP nicht klar. Ich frage nicht, was die Absicht von Quanteninformationen ist. Ich sage Folgendes: Wenn wir im Internet nach QI suchen, finden wir meistens angewandtes Zeug, das auf Quantencomputer abzielt. Algorithmen, Codes und so weiter. Der Natur ist es egal, ob wir Computer bauen oder nicht. Wie können diese Dinge (Algorithmen, Codes usw.) also irgendeine Beziehung zu den grundlegenden Funktionsweisen der Natur und zum Beispiel der Natur der Raumzeit haben (siehe Zitat oben)? Das ist die objektive Frage. Ich sage nicht, dass ein Fach keinen angewandten und einen theoretischen Teil haben kann. Offensichtlich kann es (soweit ich weiß, wurde GR bei der Entwicklung des GPS verwendet). Was ich nicht sehe, ist, wo sich der theoretische Teil zu QI befindet.

Mathematik ist auch stark mit der Technologieentwicklung in der Informatik verbunden und spielt auch eine wichtige Rolle für das Verständnis der Grundlagenphysik. Es ist eigentlich ziemlich üblich, dass Felder sowohl „reine“ als auch „angewandte“ Komponenten haben.
@probably_someone Dem stimme ich zu. Der Sinn der Frage besteht genau darin, die "reine" Komponente zu verstehen, wie Sie sagen. Denn in der Mathematik ist der „reine“ Anteil selbstverständlich. Wir haben Dinge wie Differentialgeometrie, Punktmengen und algebraische Topologie, wir haben Funktionsanalyse, wir haben Lie-Gruppen- und Lie-Algebra-Theorien und das Studium der zugehörigen Darstellungen, und all das ist völlig losgelöst von Anwendungen und ihrer Bedeutung in der Physik ist meist klar. Tatsächlich scheint es so, als hätten sich einige dieser Felder durch grundlegende physikalische Bedürfnisse motiviert entwickelt.
Erstens, wenn etwas in Mathematik in der Physik wichtig ist, zählt dies in den meisten Definitionen als "Anwendung", daher denke ich nicht, dass die "reine" Komponente "völlig losgelöst von Anwendungen" ist, es sei denn, Sie meinen etwas anderes als die meisten Menschen, wenn Sie die Wörter "freistehend" und "Anwendungen" verwenden. Zweitens, warum ist es weniger intuitiv, dass sich die Quanteninformation so entwickelt haben könnte, wie Sie es hier beschreiben?
Ich glaube, wir meinen zwei verschiedene Dinge. Es ist nicht eine Anwendung, die zunächst dazu gedacht ist, irgendeine Art von Technologie zu bauen, sondern rein zur Beschreibung von Tatsachen über die Natur. Beispiel: Lie-Gruppen, die kontinuierliche Symmetrieeigenschaften von Systemen beschreiben. Wenn Sie die Darstellungstheorie der Poincare-Gruppe studieren, um die möglichen Ein-Teilchen-Zustände in der QFT zu verstehen, gilt dies zwar als Anwendung der Lie-Gruppentheorie, aber wir sind uns einig, dass dies zunächst sicherlich nichts mit Technologie zu tun hat (Technologie ist nicht die Absicht dahinter). Mit angewandt meine ich: von Anfang an auf Technologie ausgerichtet.
Ich sehe es weniger intuitiv, weil diese Zweige der Mathematik nicht mit dem Ziel der Technologie entwickelt wurden. Die allgemeine Relativitätstheorie wurde nicht mit dem Ziel der Technik entwickelt, die QFT wurde nicht mit dem Ziel der Technik entwickelt. Aber es scheint , dass QI als Hauptziel die Entwicklung von Technologie hat. Obwohl es sich also um ein gültiges Feld handelt (Technologie ist sicherlich wichtig), verstehe ich nicht, wie letztendlich ein Feld, das sich darauf konzentriert, wie man Technologie baut, für die Grundlagenphysik wichtig ist, die sicherlich unabhängig von Technologie oder menschlichen Bedürfnissen ist.
Wann immer Sie Fragen nach der „Intention“ der Forschung stellen, geraten Sie schnell in Schwierigkeiten. Ein gutes Beispiel dafür ist die Zahlentheorie. Können Sie mir sagen, welche der Arbeiten zur Zahlentheorie darauf abzielten, die Kryptographie zu entwickeln, und welche darauf abzielten, zu beschreiben, wie Zahlen in der Natur funktionieren? War die Birch-Swinnerton-Dyer-Vermutung „rein“, weil ihr Ergebnis unabhängig von kryptografischen Implikationen existiert, oder wurde sie „angewendet“, weil sie als direkte Antwort auf die Kritik an der Elliptische-Kurven-Kryptografie gedacht war? Beschreibt Mathematik eigentlich überhaupt die Natur?
"Ich verstehe nicht, wie wichtig ein Bereich, der sich darauf konzentriert, wie man Technik baut, letztendlich für die Grundlagenphysik ist" - die gesamte Kernphysik ist ein großartiges Gegenbeispiel. Das Verständnis des Kerns ist wichtig für den Bau von Bomben und Reaktoren, und dort floss der größte Teil des anfänglichen Geldes. Das Verständnis des Kerns ist auch wichtig, um die nicht-perturbative QCD zu verstehen und die Suche nach dunkler Materie durchzuführen.
Können Sie erklären, wie Sie beispielsweise die Berechenbarkeitstheorie einordnen würden? Es war ein Ergebnis der Logik und der Mengenlehre, aber seine Ergebnisse waren sehr nützlich für die Entwicklung von Architekturen für neue Technologien. Die Frage, welche Funktionen entweder allgemein oder in Bezug auf eine Ressource (Entropie, zeitliche/räumliche Komplexität) berechenbar sind, scheint sich ebenso „um die Natur des Universums“ zu drehen wie jede andere Entdeckung der „Grundlagenphysik“. Darüber hinaus ist die Komplexitätstheorie im Allgemeinen für die Philosophie wichtig. Siehe Aaronsons Artikel .
@ user1620696 Mein Verständnis ist, dass alle physikalischen Systeme, einschließlich unseres Universums oder sogar Multiversen, physikalisch als Quantenberechnungsprozess aufgebaut werden müssen. Für einen bestimmten Quantenzustand sollte es einen entsprechenden „Quantenschaltkreis“ geben, um ihn aufzubauen. Die Raumgeometrie ist nur die Geometrie des Quantenschaltkreises zum Aufbau unseres Universums. QI bietet eine neue Perspektive, um die physikalischen Gesetze zu verstehen, wie Susskind betonte, die Berechnung ist eng mit der Physik verbunden.
@ user1620696 Ich denke, es gibt ein Missverständnis, QI als technologieorientierten Forschungsbereich zu betrachten. Für mich geht es bei der sogenannten „2. Quantenrevolution“ nicht darum, neue Quantengeräte zu entwickeln, sondern unsere Perspektive zum Verständnis der Physik zu erneuern. Das heißt, alle physikalischen Systeme als Rechensysteme zu nehmen, genau wie Wheelers Slogan „es aus Bits“ oder die aktualisierte Version „es aus Qubits“. Alles ist das Ergebnis von Quantencomputern (als tiefes Netzwerk). Also sind Quantencomputing / Deep Network / Physik / Geometrie integriert.

Antworten (2)

(Mein Hintergrund: Ich bin weder Fundamentalphysiker noch Quanteninformationstheoretiker, obwohl ich mit einigen von letzteren zusammenarbeite.)

Die Informationstheorie ist ein Rahmen für die Untersuchung und Charakterisierung von Zufälligkeit. Insbesondere die Informationstheorie eignet sich gut zur Beantwortung von Fragen zu Zufallsvariablen wie „wie zufällig“ oder wie stark korrelierte Zufallsvariablen sind. Es stellt sich heraus, dass solche Eigenschaften oft durch nichtlineare Funktionale der Wahrscheinlichkeitsverteilung wie die Entropie, gegenseitige Information usw. charakterisiert werden.

Die Quanteninformationstheorie ist ein Rahmenwerk zur Untersuchung und Charakterisierung von Zufälligkeit in der Quantenmechanik. Es liefert Werkzeuge zur Beantwortung von Fragen wie der Frage, wie stark zwei Teile eines Quantensystems korreliert sind. Normalerweise sind solche Eigenschaften durch nichtlineare Funktionen des Dichteoperators gut charakterisiert, wie die (Verschränkungs-)Entropie, die gegenseitige Information usw. Dies unterscheidet sich ziemlich von der üblichen Agenda von Physikern (fundamental oder anderweitig), die sich typischerweise für Observablen interessieren /Korrelationsfunktionen, die lineare Funktionen des Dichteoperators sind.

Nach meiner (notwendigerweise begrenzten) Erfahrung interessieren sich Quanteninformationstheoretiker oft für Fragen einer KinematikNatur, zB wie man Quantenzustände nach ihren Verschränkungseigenschaften klassifiziert oder welche Arten von Quantenzuständen unter sehr allgemeinen Bedingungen wie Unitarität, Lokalität, Energieerhaltung usw. ineinander umgewandelt werden können, ohne sich um die detaillierte Dynamik einer solchen Umwandlung zu kümmern . Andererseits sind viele Physiker sehr damit beschäftigt, die eigentliche Lagrange-Funktion aufzuschreiben, die die fundamentale Dynamik des Universums beschreibt. In einem (umstrittenen) Sinn ist die Quanteninformationstheorie „noch grundlegender“ als dieses edle Unterfangen, da viele ihrer Theoreme auch dann noch anwendbar sein werden, wenn wir eines Tages eine viel bessere Lagrange-Funktion als das Standardmodell entdecken. Allerdings vermute ich das offensichtliche Interessein der Quanteninformationstheorie, die von bestimmten Leuten gezeigt wird, die an fundamentaler Dynamik arbeiten, bezieht sich eher auf Fragen wie die Thermodynamik von Schwarzen Löchern , die Verschränkungsentropie von Quantenfeld-Vakua , holografische Tensornetzwerkzustände usw.

(Mein Hintergrund: Forscher in der Quanteninfotheorie, aber nicht wirklich in "fundamentaler" Arbeit wie QI in Feldtheorien.)

Nun, meine erste Antwort ist, dass es wichtig ist zu verstehen, woher die Wissenschaft kommt, wenn man ein Gebiet untersucht. Wissenschaft wird von arbeitenden Wissenschaftlern produziert, und natürlich gibt es mehr arbeitende Wissenschaftler in Bereichen, die näher an den "angewandten" Bereichen liegen, weil jemand sie bezahlen muss. Unternehmen, Verteidigungsbehörden und sogar Fördereinrichtungen der „reinen Forschung“ werden Forschung bevorzugen, die sich an technologischen Zielen orientiert. Seien Sie also nicht überrascht, dass dies der Fokus ist, den Sie im Feld sehen.

Andererseits stellt sich die Frage, warum Quanteninformationen Aufschluss über grundlegende Fragen geben sollten? Ich denke, der Hauptgrund ist, dass Quanteninformationen oft viel darüber aussagen, wie mikroskopische Dynamik in großräumige Eigenschaften eines Systems übersetzt werden kann. Zum Beispiel bringen Sie die Fehlerkorrektur auf. Fehlerkorrektur ist natürlich ein technologisch sehr interessantes Gebiet. Aber es geht im Grunde auch darum, zu lernen, wie ein Quantensystem vermeiden kann, seine Quantennatur zu verlieren, wenn es Rauschen oder Interferenzen von außen ausgesetzt wird. Das ist eine sehr grundlegende Frage darüber, wie robust die Quantennatur der Realität ist, und sie kann uns lehren, welche mikroskopischen Effekte im System insgesamt überleben können und werden.

Danke für die Antwort! Ihr Punkt ist also: Die Tatsache, dass ich bei der Suche nach Informationen über QI am Ende viel mehr angewandte als theoretische Dinge finde, liegt nur daran, dass die Anzahl der Forschungen auf dem angewandten Gebiet größer ist, und nicht daran, dass QI selbst nur für Anwendungen gedacht ist?
Ich denke, Sie müssen vielleicht definieren, was Sie konkret mit "theoretisch" und "angewandt" meinen, bevor wir weitermachen.
@wahrscheinlich_jemand. Ich denke, die Unterscheidung ist aus der Frage klar. Ich habe es nur bearbeitet, um die tatsächlich aufgestellte Behauptung zu betonen, dass Quanteninformationen die Natur der Raumzeit erklären könnten. Scheint mir theoretisch genug zu sein.
@ user1620696 Ich meine, ein Großteil des Feldes wird mit irgendeiner Art von Anwendungen entwickelt (obwohl Forschung "theoretisch" / "grundlegend" / "neugiergetrieben" sein kann, ohne "fundamental" zu sein, wie es um Raumzeit und Schwerkraft geht ). Aber wenn Sie den Abschnitt „Motivation“ von Artikeln usw. lesen, erhalten Sie die Perspektive des Forschers, warum er diese Arbeit geleistet hat, und keine erschöpfende Untersuchung darüber, wie diese Arbeit sonst angewendet werden könnte.
Ich denke auch, dass diese Kategorien einer ernsthaften Prüfung wahrscheinlich nicht standhalten. Es stellt sich heraus, dass viele Grundlagenwissenschaften Anwendungen haben; Viel Wissenschaft für Anwendungszwecke liefert grundlegende Erkenntnisse.
Inwiefern können Quanteninformationen für die Grundlagenphysik wichtig sein?
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