Si un qubit puede ser un 1 o un 0 y devolverá ambos, ¿cómo podemos confiar en él?

En esencia, un qubit puede 'presentarse' (tras la observación) como un 1 o un 0. Mi entendimiento (por inexacto que sea) es que la observación de un qubit en particular puede generar diferentes resultados. Puede ser 1 en la primera observación y 0 en la siguiente.

Dicho esto, ¿cómo nos ayuda esto cuando deseamos saber (definitivamente) si es un 1 o un 0?

Si le hago una pregunta a alguien y no puedo confiar en lo que dice, no tengo una respuesta confiable. ¿Cómo es esto diferente? Al menos con un bit 'tradicional' definitivamente tengo un 1 o un 0.

Entonces, asumo (nuevamente, posiblemente erróneamente) que la salida de este qubit debe interrogarse un poco más y realizar cálculos para garantizar la integridad de lo que genera para encontrar la salida más probable (es decir, un 1 o un 0). En cuyo caso, si finalmente es un 1 o un 0, no almacena varios valores a la vez. Lo que significa que no es más eficiente que un bit que, de manera similar, almacena solo un valor a la vez.

Permítanme ser claro: estoy malinterpretando algo aquí, soy plenamente consciente de eso, definitivamente estoy equivocado, pero quiero saber qué parte de esta historia me estoy perdiendo.

Preguntas

Si un solo qubit almacena un solo valor (sin embargo, extraemos ese valor), ¿cómo es más capaz que un bit clásico? Si estoy malinterpretando y, de hecho, un qubit puede almacenar múltiples valores y generará cualquiera de ellos, ¿cómo podemos persistir y recuperar datos de esa manera?

Un qubit puede ser un "1", un "0" o AMBOS. Esta es la ventaja de los qubits. Su descripción de los qubits anterior está incompleta sin reconocer que pueden estar en tres estados potenciales. Un solo qubit puede contener hasta dos bits de información. Las palabras clave para buscar son el algoritmo de Shor y la búsqueda cuántica.
Muchas gracias @JakeWatrous, lo aprecio. Me deja confundido sobre cómo un sistema informático encontraría útil una salida de 'ambos' cuando requiere bits de datos definitivos. Lo investigaré más a fondo.

Respuestas (1)

Un solo qubit es tan útil como un solo bit clásico en una computadora normal. Realmente solo puedes hacer tres cosas con un bit clásico:

  1. Escríbele un valor, como 1.
  2. Lea ese valor, sigue siendo 1.
  3. Dale la vuelta, ahora es un 0 (¡guau! ¡Cómputo!)

El poder de una computadora proviene del uso de muchos bits, lo que permite el almacenamiento de diversos tipos de datos una vez que alguien descubre cómo codificar datos (texto, números, imágenes, sonidos, etc.) en bits. También permite manipulaciones más sofisticadas de los datos, ya que los cambios en un conjunto de bits pueden depender del estado de otros bits.

Del mismo modo, hay tres cosas que puede hacer con un solo qubit:

  1. Escríbele una amplitud: a | 0 ⟩ + b | 1 ⟩ dónde a y b son números complejos y | a | 2 + | b | 2 = 1 . | 0 ⟩ y | 1 ⟩ son etiquetas para los estados más simples de un qubit.
  2. Léalo: obtenga 0 con probabilidad | a | 2 y 1 con probabilidad | b | 2 (de ahí la suma igual a 1 en el paso 1).
  3. Rotarlo: transformar los números a y b en nuevos valores sin dejar de cumplir el paso 1.

Aquí hay una mejor explicación de esta configuración con cachorros del físico de CalTech Sean Carroll .

El cómic Saturday Morning Breakfast Cereal vinculado por Emilio en los comentarios de la pregunta es una excelente descripción de lo que sucede (como debería ser; fue coescrito por Scott Aaronson, científico informático de la Universidad de Texas en Austinque se especializa en computadoras cuánticas). Una vez que tenga su problema computacional codificado en qubits, hay una operación que puede hacer con qubits que no tiene equivalente en la computación de bits clásica: la interferencia. Esta operación toma un conjunto de qubits que representan posibles soluciones a un problema y, con la codificación adecuada, hace que las posibilidades correspondientes a respuestas incorrectas se cancelen, lo que da como resultado una amplitud cercana a cero, dejando solo las respuestas correctas para ser detectadas. Para decirlo de otra manera, una computación cuántica correctamente configurada hace que las respuestas incorrectas interfieran destructivamente y las respuestas correctas interfieran constructivamente.

El resultado sigue siendo probabilístico, por lo que aún es posible obtener una respuesta incorrecta. Pero, una computadora cuántica cuidadosamente diseñada puede tener un 99,99% de posibilidades de devolver la respuesta correcta. Ejecutar el cálculo varias veces y tomar la respuesta mayoritaria puede hacer que la probabilidad de una respuesta incorrecta sea arbitrariamente pequeña.

Las computadoras cuánticas no obtienen su velocidad de "probar todas las posibilidades en paralelo". Todavía se necesita procesamiento para codificar el espacio del problema y la solución en los qubits y realizar las transformaciones necesarias. De hecho, según nuestro conocimiento actual de las computadoras cuánticas, solo hay un puñado de problemas que las computadoras cuánticas resuelven significativamente más rápido que las computadoras clásicas (el algoritmo de Shor para factorizar números es el más famoso) y cada problema requiere una configuración única. Hasta donde sabemos, no existen computadoras cuánticas universales que puedan resolver todos los problemas más rápido que una computadora normal.

Para responder a su pregunta específica, los qubits solo están destinados a procesar datos con algoritmos especiales. Piense en ello como un tipo especial de RAM, no como un disco duro. El almacenamiento de datos se realiza mejor con bits clásicos.

Muchas gracias por la respuesta Marcos! Soy desarrollador, pero nunca antes había estado involucrado en algo de tan bajo nivel, así que disculpe mi falta de comprensión hasta ahora. Creo que entiendo mucho de lo que dijiste, pero aún eludes la noción de una respuesta correcta e incorrecta que, para mí, implica que hay un resultado definitivo de los cálculos que involucran qubits. Hay un 1 o un 0. ¿Está diciendo que es el viaje y la llegada a ese resultado lo que es óptimo en comparación con un sistema 'clásico'? Si es así, ¿cómo es esto más óptimo que un bit, que está predefinido y listo para ser definitivo?
Mi comprensión (muy) limitada me hace creer que la salida (ya sea de un bit o una serie de qubits) será una respuesta. Proporcionará el resultado de una especie de cálculo. ¿Pueden los qubits proporcionar esta respuesta más rápido (más eficientemente)? ¿O es que puede proporcionar múltiples respuestas a la vez? ¿Qué parte de un cálculo nos beneficiamos de la mecánica cuántica aquí? He visto muchos videos y leído muchos artículos, entiendo la premisa de que la superposición proporciona un cálculo astronómicamente más rápido, pero no estoy seguro de cómo hacerlo.
Supongo que sería muy fácil para mí decir "bien, los bits pueden persistir como 1 o 0, lo que limita inherentemente la cantidad de datos que pueden representar. Los qubits pueden ser tanto 1 como 0, lo que significa que pueden representar una combinación muy posible, lo que significa que pueden representar todo" y dejarlo así. Pero quiero saber exactamente cómo se interpreta esto, y mucho menos cómo se escribe.
@JᴀʏMᴇᴇ Al final de un cálculo cuántico, habrá algún tipo de medida que arrojará una sola respuesta. El cálculo se puede diseñar de modo que la probabilidad de obtener la respuesta correcta sea muy cercana a 1. Un algoritmo diseñado para aprovechar los efectos cuánticos puede dar lugar a aceleraciones drásticas. El algoritmo de Shor toma lo que es subexponencial en las computadoras clásicas y lo resuelve en tiempo polinomial.
@JᴀʏMᴇᴇ La preparación de los qubits provoca otro efecto importante: algunos de los qubits se entrelazan entre sí, lo que significa que sus estados se correlacionan entre sí a pesar de ser entidades separadas. Los bits clásicos son siempre independientes entre sí. Es algo así como tener canales de comunicación adicionales entre los qubits, pero no realmente, y los detalles se vuelven muy técnicos a partir de aquí.
@JᴀʏMᴇᴇ La esencia de cualquier computadora cuántica es que podemos alinear las propiedades cuánticas de un sistema con las propiedades matemáticas del problema que estamos tratando de resolver. Hay más formas de preparar el cálculo (entrelazamiento) y más operaciones (interferencia) en la computación cuántica que en la computación clásica, y hemos descubierto que se pueden usar con gran eficacia para ciertos problemas (hasta que Peter Shor descubrió el algoritmo de factorización, muy pocos la gente se preocupaba por las computadoras cuánticas).
Si un qubit puede ser un 1 o un 0 y devolverá ambos, ¿cómo podemos confiar en él?
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