Wenn ein Qubit eine 1 oder 0 sein kann und beides zurückgibt – wie können wir uns darauf verlassen?

Im Wesentlichen kann sich ein Qubit (bei Beobachtung) als 1 oder 0 „präsentieren“. Mein Verständnis (so ungenau es auch sein mag) ist, dass die Beobachtung eines bestimmten Qubits zu unterschiedlichen Ergebnissen führen kann. Es kann bei der ersten Beobachtung 1 und bei der nächsten 0 sein.

Wie hilft uns das jedoch, wenn wir (definitiv) wissen wollen, ob es sich um eine 1 oder eine 0 handelt.

Wenn ich jemandem eine Frage stelle und ich mich nicht auf das verlassen kann, was er sagt, habe ich keine verlässliche Antwort. Wie ist das anders? Zumindest bei einem 'traditionellen' Bit habe ich definitiv eine 1 oder eine 0.

Ich nehme also an (wiederum möglicherweise zu Unrecht), dass die Ausgabe dieses Qubits etwas weiter abgefragt und Berechnungen durchgeführt werden müssen, um die Integrität seiner Ausgabe sicherzustellen, um die wahrscheinlichste Ausgabe (dh eine 1 oder eine 0) zu finden. In diesem Fall, wenn es letztendlich entweder eine 1 oder eine 0 ist, werden nicht mehrere Werte gleichzeitig gespeichert. Das heißt, es ist nicht effizienter als ein Bit, das ebenfalls nur einen Wert auf einmal speichert.

Lassen Sie mich klarstellen – ich verstehe hier etwas falsch, dessen bin ich mir völlig bewusst, ich liege definitiv falsch – aber ich möchte wissen, welcher Teil dieser Geschichte mir fehlt.

Fragen

Wenn ein einzelnes Qubit einen einzelnen Wert speichert (wie auch immer wir diesen Wert extrahieren), wie kann es leistungsfähiger sein als ein klassisches Bit? Wenn ich das falsch verstehe und ein Qubit tatsächlich mehrere Werte speichern und beide ausgeben kann - wie können wir Daten auf diese Weise beibehalten und abrufen?

Ein Qubit kann entweder eine „1“, eine „0“ oder BEIDES sein. Das ist der Vorteil von Qubits. Ihre obige Beschreibung von Qubits ist unvollständig, ohne anzuerkennen, dass sie sich in drei möglichen Zuständen befinden können. Ein einzelnes Qubit kann bis zu zwei Informationsbits enthalten. Schlüsselwörter zum Nachschlagen sind Shors Algorithmus und Quantensuche.
Vielen Dank @JakeWatrous - weiß es zu schätzen. Es lässt mich verwirrt darüber zurück, wie ein Computersystem eine Ausgabe von „beidem“ nützlich finden würde, wenn es definitive Datenbits benötigt. Ich werde es weiter untersuchen.

Antworten (1)

Ein einzelnes Qubit ist ungefähr so ​​nützlich wie ein einzelnes klassisches Bit in einem normalen Computer. Mit einem klassischen Gebiss kann man eigentlich nur drei Dinge machen:

  1. Schreiben Sie ihm einen Wert, z. B. 1.
  2. Lesen Sie diesen Wert, immer noch 1.
  3. Drehen Sie es um, jetzt ist es eine 0 (woo! Berechnung!)

Die Leistung eines Computers beruht auf der Verwendung vieler Bits, was die Speicherung verschiedener Arten von Daten ermöglicht, sobald jemand herausgefunden hat, wie Daten (Text, Zahlen, Bilder, Töne usw.) in Bits codiert werden. Es ermöglicht auch ausgefeiltere Manipulationen der Daten, da Änderungen in einem Satz von Bits vom Zustand anderer Bits abhängen können.

Ebenso gibt es drei Dinge, die Sie mit einem einzelnen Qubit tun können:

  1. Schreiben Sie eine Amplitude dazu: A | 0 ⟩ + B | 1 ⟩ Wo A Und B sind komplexe Zahlen und | A | 2 + | B | 2 = 1 . | 0 ⟩ Und | 1 ⟩ sind Bezeichnungen für die einfachsten Zustände eines Qubits.
  2. Lesen Sie es: Erhalten Sie 0 mit Wahrscheinlichkeit | A | 2 und 1 mit Wahrscheinlichkeit | B | 2 (daher die Summe gleich 1 in Schritt 1.).
  3. Drehen Sie es: Transformieren Sie die Zahlen A Und B in neue Werte, während Schritt 1 noch erfüllt wird.

Hier ist eine bessere Erklärung dieses Aufbaus mit Welpen von CalTech-Physiker Sean Carroll .

Der Comic „Saturday Morning Breakfast Cereal“, auf den Emilio in den Fragenkommentaren verweist, ist eine großartige Laienbeschreibung dessen, was passiert (wie es sein sollte; er wurde von Scott Aaronson, einem Informatiker an der University of Texas in Austin, mitgeschriebender sich auf Quantencomputer spezialisiert hat). Sobald Sie Ihr Rechenproblem in Qubits kodiert haben, gibt es eine Operation, die Sie mit Qubits durchführen können, die keine Entsprechung im klassischen Bit-Computing hat: Interferenz. Diese Operation nimmt eine Reihe von Qubits, die mögliche Lösungen für ein Problem darstellen, und bewirkt bei richtiger Codierung, dass sich die Möglichkeiten, die falschen Antworten entsprechen, aufheben, was zu einer Amplitude nahe Null führt, sodass nur die richtigen Antworten erkannt werden können. Anders ausgedrückt: Eine richtig eingerichtete Quantenberechnung bewirkt, dass falsche Antworten destruktiv interferieren und richtige Antworten konstruktiv interferieren.

Das Ergebnis ist immer noch probabilistisch, sodass es immer noch möglich ist, eine falsche Antwort zu erhalten. Aber ein sorgfältig entworfener Quantencomputer kann eine Chance von 99,99 % haben, die richtige Antwort zu liefern. Wenn Sie die Berechnung mehrmals ausführen und die Mehrheitsantwort nehmen, kann die Wahrscheinlichkeit einer falschen Antwort beliebig klein werden.

Quantencomputer bekommen ihre Geschwindigkeit nicht dadurch, "alle Möglichkeiten parallel auszuprobieren". Es ist immer noch Verarbeitung erforderlich, um den Problem- und Lösungsraum in die Qubits zu codieren und die erforderlichen Transformationen durchzuführen. Basierend auf unserem derzeitigen Wissen über Quantencomputer gibt es tatsächlich nur eine Handvoll Probleme, die Quantencomputer wesentlich schneller lösen als klassische Computer – Shors Algorithmus zur Faktorisierung von Zahlen ist der bekannteste – und jedes Problem erfordert ein einzigartiges Setup. Soweit wir wissen, gibt es keine universellen Quantencomputer, die alle Probleme schneller lösen können als ein normaler Computer.

Um Ihre spezielle Frage zu beantworten, Qubits sind nur für die Verarbeitung von Daten mit speziellen Algorithmen gedacht. Betrachten Sie es als eine spezielle Art von RAM, nicht als Festplatte. Das Speichern von Daten erfolgt am besten mit klassischen Bits.

Vielen Dank für die Antwort Markus! Ich bin Entwickler, habe mich aber noch nie mit so etwas Niedrigem beschäftigt, entschuldigen Sie also mein bisheriges Unverständnis. Ich glaube, ich verstehe vieles von dem, was Sie gesagt haben, aber Sie entziehen sich immer noch der Vorstellung einer richtigen und falschen Antwort, was für mich impliziert, dass es ein endgültiges Ergebnis von Berechnungen mit Qubits gibt. Es gibt eine 1 oder eine 0. Sie sagen, dass der Weg und das Erreichen des Ergebnisses optimal ist im Vergleich zu einem „klassischen“ System? Wenn ja, wie ist dies optimaler als ein bisschen - das vordefiniert und bereit ist, endgültig zu sein.
Mein (sehr) begrenztes Verständnis lässt mich glauben, dass die Ausgabe (ob von einem Bit oder einer Reihe von Qubits) eine Antwort sein wird. Es wird das Ergebnis einer Art Berechnung zur Verfügung stellen. Können Qubits diese Antwort schneller (effizienter) liefern? Oder kann es mehrere Antworten gleichzeitig geben? Welchen Teil einer Berechnung profitieren wir hier von der Quantenmechanik? Ich habe mir viele Videos angesehen und viele Artikel gelesen. Ich verstehe die Prämisse, dass die Überlagerung eine astronomisch schnellere Berechnung liefert, bin mir aber nicht sicher, wie.
Ich nehme an, es wäre wirklich einfach für mich zu sagen: „Okay, Bits können entweder eine 1 oder eine 0 bleiben, was die Datenmenge, die sie darstellen können, von Natur aus begrenzt. Qubits können sowohl 1 als auch 0 sein, was bedeutet, dass sie sehr mögliche Kombinationen darstellen können. was bedeutet, dass sie alles darstellen können" und es dabei belassen. Aber ich möchte genau wissen, wie das interpretiert, geschweige denn geschrieben wird.
@JᴀʏMᴇᴇ Am Ende einer Quantenberechnung wird es eine Art Messung geben, die eine einzige Antwort liefert. Die Berechnung kann so gestaltet werden, dass die Wahrscheinlichkeit, die richtige Antwort zu erhalten, sehr nahe bei 1 liegt. Ein Algorithmus, der darauf ausgelegt ist, Quanteneffekte auszunutzen, kann zu dramatischen Beschleunigungen führen. Shors Algorithmus nimmt, was auf klassischen Computern subexponentiell ist, und löst es in polynomieller Zeit.
@JᴀʏMᴇᴇ Die Vorbereitung der Qubits verursacht einen weiteren wichtigen Effekt: Einige der Qubits verschränken sich miteinander, was bedeutet, dass ihre Zustände miteinander korrelieren, obwohl sie getrennte Einheiten sind. Klassische Bits sind immer unabhängig voneinander. Es ist so, als ob man zusätzliche Kommunikationskanäle zwischen den Qubits hätte, aber nicht wirklich, und die Details werden ab hier sehr technisch.
@JᴀʏMᴇᴇ Der Kern eines jeden Quantencomputers besteht darin, dass wir die Quanteneigenschaften eines Systems an den mathematischen Eigenschaften des Problems ausrichten können, das wir zu lösen versuchen. Es gibt mehr Möglichkeiten zur Vorbereitung der Berechnung (Verschränkung) und mehr Operationen (Interferenz) im Quantencomputing als beim klassischen Computing, und wir haben entdeckt, dass diese für bestimmte Probleme mit großer Wirkung eingesetzt werden können (bis Peter Shor den Faktorisierungsalgorithmus entdeckte, sehr wenige Menschen interessierten sich für Quantencomputer).
Wenn ein Qubit eine 1 oder 0 sein kann und beides zurückgibt – wie können wir uns darauf verlassen?
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