Zählt das Ausführen eines Programms zur Quantenmechanik auf einem Quantencomputer als Experiment oder als Simulation?

Die Begriffe Simulation und Experiment schließen sich nicht aus: Wenn ein Biologe ein biochemisches oder molekularbiologisches Experiment in einer Laborumgebung durchführt, simuliert er auch einen Prozess, der in der Natur abläuft. Ein Werkstoffingenieur, der im Labor Belastungstests an einer neuen Legierung durchführt, simuliert die Bedingungen, denen diese Legierung beim Bau einer Brücke oder eines Flugzeugs standhalten wird. Dies gilt für nahezu jede physikalische Wissenschaft, in der Forscher versuchen, reale Bedingungen in einer Laborumgebung zu replizieren. Im Allgemeinen kann also etwas sowohl als Experiment als auch als Simulation gelten und tut dies oft auch. Sie müssen zwischen Simulation im Allgemeinen, die sich mit Experimenten überschneidet, und Computersimulationen unterscheiden, bei denen es sich um ein mathematisches Werkzeug zur Durchführung von Berechnungen auf der Grundlage theoretischer Modelle handelt.

Um Ihre spezifische Frage zu Quantencomputern zu beantworten: Als Richard Feynman 1981 ursprünglich Quantencomputer vorschlug, wies er deutlich darauf hin, dass es sich um universelle Quantensimulatoren handeln würde , siehe Abschnitt 4 seines Beitrags zu dem Vortrag (Feynman, RP "Simulating Physics with Computers" - International Journal of Theoretical Physics, Band 21, Nr. 6/7, 1982) .

Zurück zur umfassenderen Frage der Computersimulationen: Der erkenntnistheoretische Wert von Computersimulationen ergibt sich nicht aus der Tatsache, dass es sich um physikalische Prozesse handelt. Computersimulationen sind ein Werkzeug zur Lösung mathematischer Probleme. Wir sind bereits davon ausgegangen, dass ein bestimmtes reales Phänomen durch ein bestimmtes theoretisches/mathematisches Modell genau dargestellt wird, jetzt verwenden wir nur den Computer, um die Berechnungen auf der Grundlage des Modells durchzuführen – vermutlich, weil sie zu komplex sind, um sie von Hand durchzuführen.

Die SEP hat einen ziemlich guten Artikel über die Erkenntnistheorie von Computersimulationen .

Ich kann nicht erkennen, wie es zu einer Debatte über Simulation oder Experiment kommen kann, insbesondere wenn die Simulation auf einem Computer ausgeführt wird.

Denken Sie darüber nach, das Gewicht eines Blattes Papier beim Schreiben einer Simulation oder eines Experiments zu berechnen? Oder was ist, wenn Sie etwas Komplexeres tun, wie das Lösen einer Reihe von Differentialgleichungen, um die Energie zu berechnen, die erforderlich ist, um das Papier zu falten, auch mit Stift und Papier? (Ähnlich wie @Alphas Kommentar zu elektronischen Computersimulationen, aber noch grundlegender und schließen Sie die Person, die die Frage stellt.)

Wir führen Experimente durch, um Erkenntnisse über die zugrunde liegende Funktionsweise eines Systems zu gewinnen. Mit diesem Wissen können wir mathematische Modelle erstellen, die das System mit einem bestimmten gewünschten Genauigkeits- und Detailgrad darstellen.

Diese Modelle werden in einen Computer programmiert, um Simulationen auszuführen und ein mögliches Ergebnis basierend auf den von einem Benutzer eingegebenen Randbedingungen zu extrapolieren. Um die Ergebnisse des Computers zu überprüfen, ist es zweideutig zu sagen, dass Sie zwei Simulationen durchgeführt haben und die Ergebnisse gleich sind, also ist es richtig. Sie müssen die Ergebnisse durch Tests (Experimente) in der realen Situation überprüfen.

Sie können so viele quantenmechanische Simulationen auf einem Quantencomputer durchführen, wie Sie möchten, die Simulationen werden Ihnen nie mehr grundlegendes Wissen über ein System geben als das, was Sie hineingesteckt haben.

Wissenschaftler verwendeten Simulationen, um die Existenz des Higg-Bosons zu postulieren, aber nur bis sie ein Experiment im Large Hadron Collider durchführten, fanden sie es physisch und konnten so bestätigen, dass ihre mathematischen Modelle tatsächlich korrekt waren, aber bis zu diesem Moment war alles nur Spekulation , egal was die Simulationen sagen.

Wenn es um die Debatte zwischen Simulation und Experiment geht, argumentieren einige Befürworter von Simulationen, dass sie den gleichen erkenntnistheoretischen Wert haben, weil Computersimulationen physikalische Prozesse sind, die in einem Computer ablaufen.

Du bist ein physisches System, also wenn du an etwas denkst, ist das ein physischer Prozess, der in deinem Gehirn abläuft. Sollte das Nachdenken über etwas also als Experiment gelten? Irgendetwas ist hier ziemlich schief gelaufen.

Wenn man dieses Argument mit der Quantenmechanik weiterführt, könnte man sagen, dass die Simulation der Quantenmechanik mit einem Quantencomputer, der mit der Quantenmechanik arbeitet, als Experiment angesehen werden könnte? Hätte es in diesem Fall nicht denselben epistemischen Wert wie ein Experiment in einem Physiklabor?

Der Sinn eines Experiments besteht darin, eine Theorie zu testen. Wenn Sie ein Experiment durchführen und Ihre Theorie das Ergebnis X vorhersagt und Sie dieses Ergebnis nicht erhalten, dann ist Ihre Theorie in Schwierigkeiten. Entweder haben Sie das Experiment falsch gemacht, oder Sie haben das Ergebnis falsch interpretiert oder die Theorie ist falsch.

Um eine Simulation durchzuführen, müssen Sie die Bewegungsgleichung für das relevante System erraten. Sie müssen dann ein Programm zur Berechnung der Entwicklung unter dieser Bewegungsgleichung mit den relevanten Anfangsbedingungen entwickeln. Ist das erledigt, kann ein geeigneter Universalrechner das gewünschte System beliebig genau simulieren. Und Sie können es nicht nur so programmieren, dass es das richtige Endergebnis liefert, es kann auch alle Phasen zwischen den Anfangsbedingungen und dem Endergebnis mit jeder gewünschten Genauigkeit simulieren.

Die Simulation ermöglicht es Ihnen also, die Konsequenzen einer Vermutung über die Bewegungsgleichung eines Systems in Fällen zu erarbeiten, in denen Sie sie selbst nicht erarbeiten konnten. Die Simulation erzeugt Vorhersagen, die mit dem tatsächlichen System getestet werden können. Das Ausführen der Simulation ist also nicht dasselbe wie das Ausführen des Experiments, da der Zweck des Experiments darin besteht, zu testen, ob Sie mit der vermuteten Bewegungsgleichung richtig liegen, und eine Simulation kann dies nicht tun.

Die wirkliche Linie im Sand ist wahrscheinlich von Individuum zu Individuum unterschiedlich, daher würde ich nicht nur eine Antwort erwarten. Als jemand, der sich viel mit Simulationen beschäftigt, würde ich die Grenze jedoch so ziehen:

In einer Simulation haben Sie alle erforderlichen Informationen, um das Endergebnis zu kennen. Es ist möglicherweise nicht in einer bequemen Form. Möglicherweise müssen Sie es durch ein paar Billionen Transistoren laufen lassen, um es in eine lesbare Form zu bringen, aber im Simulationsprozess selbst werden keine neuen Informationen generiert. Sie destillieren lediglich Wert aus vorhandenen Informationen heraus. Die Ergebnisse der Simulation "überraschen" Sie nur dann, wenn Sie den Eindruck neuer Informationen erwecken, wenn die Eingaben in die Simulation Informationen enthielten, die Sie nicht vollständig verarbeitet hatten.

Im Gegensatz dazu sehe ich ein Experiment als etwas, das das Potenzial hat, neue Informationen zu offenbaren, die Sie nicht hatten. Die Informationen, die das Ergebnis definieren, wurden noch nicht erfasst. Hier gibt es typischerweise eine physische Komponente, da nicht alle Ergebnisse des Experiments in eine Informationsform gebracht wurden.

Ausgehend von diesem Fokus auf "Informationen" würde ich sagen, dass es von dem Quantenprogramm abhängt, das Sie ausführen. Wenn das von Ihnen ausgeführte Quantenprogramm explizit so geschrieben ist, dass die Quanteneffekte für die endgültige Ausgabe unwichtig sind, würde ich es eine Simulation nennen. Wenn das Quantenprogramm jedoch so geschrieben ist, dass sich die Quanteneffekte in der Implementierung sinnvoll auf die Ausgabe auswirken, kann es sich um ein Experiment handeln.

Die Linie, die ich ziehe, hängt stark mit dem Unterschied zwischen Syntax und Semantik zusammen. Wenn das Ergebnis rein durch die Syntax der Informationen und Prozesse, die diese Informationen manipulieren, erreicht werden kann, neige ich dazu, es als Simulation zu betrachten. Wenn das Ergebnis nur aus der Semantik der Eingaben und des Prozesses abgeleitet werden kann, wie z. B. das bestimmte Verhalten dieses bestimmten Testobjekts, nenne ich es eher ein Experiment.

Sowohl Simulationen als auch Experimente verwirklichen Ideen. Eine Simulation kann jede Idee in jedem Substrat instanziieren, während ein Experiment eine bestimmte Art von Idee – eine vorgeschlagene Erklärung oder Vermutung – in einer bestimmten Form instanziieren muss – eine, von der angenommen wird, dass sie unseren Glauben an diese vorgeschlagene Erklärung oder Vermutung ändern wird.

Das Ausführen eines Programms über einen Aspekt der Quantenmechanik irgendwo (Quantencomputer oder nicht), das diese Anforderungen erfüllt, stellt ein Experiment dar.