Запуск программы по квантовой механике на квантовом компьютере считается экспериментом или симуляцией?

Концепция моделирования и эксперимента не исключают друг друга: когда биолог проводит биохимический или молекулярно-биологический эксперимент в лабораторных условиях, он также моделирует процесс, происходящий в природе. Инженер-материаловед, проводящий стресс-тесты нового сплава в лаборатории, моделирует условия, в которых этот сплав будет работать при строительстве моста или самолета. Это относится практически к любой физической науке, где исследователи пытаются воспроизвести условия реального мира в лабораторных условиях. В общем, что-то может считаться и часто считается как экспериментом, так и симуляцией. Вы должны различать моделирование в целом, которое совпадает с экспериментированием, и компьютерное моделирование, которое представляет собой математический инструмент для выполнения расчетов на основе теоретических моделей.

Чтобы ответить на ваш конкретный вопрос о квантовых компьютерах: Ричард Фейнман, когда он первоначально предложил квантовые компьютеры в 1981 году, ясно указал, что они будут универсальными квантовыми симуляторами , см. Раздел 4 его статьи о докладе (Фейнман, РП «Моделирование физики с помощью компьютеров» — Международный журнал теоретической физики, том 21, № 6/7, 1982) .

Вернемся к более широкому вопросу о компьютерных симуляциях: эпистемологическая ценность компьютерных симуляций исходит не из того факта, что они являются физическими процессами. Компьютерное моделирование — это инструмент для решения математических задач. Мы уже предположили, что данное явление реального мира точно представлено данной теоретической/математической моделью, теперь мы просто используем компьютер для выполнения расчетов на основе модели - предположительно, потому что они слишком сложны для выполнения вручную.

В SEP есть неплохая статья об эпистемологии компьютерного моделирования .

Я не понимаю, как ведутся споры о моделировании и эксперименте, особенно если моделирование выполняется на компьютере.

Считаете ли вы вычисление веса листа бумаги при письме симуляцией или экспериментом? Или что, если вы сделаете что-то более сложное, например, решите набор дифференциальных уравнений для расчета энергии, необходимой для образования сгиба на бумаге, также используя ручку и бумагу? (Похоже на комментарий @Alpha об электронном компьютерном моделировании, но еще более фундаментальный и близкий человеку, задающему вопрос)

Мы проводим эксперименты, чтобы получить знания о базовой работе системы. Обладая этими знаниями, мы можем строить математические модели, которые представляют систему с определенной желаемой степенью точности и детализации.

Эти модели запрограммированы на компьютер для запуска симуляций и экстраполяции возможного результата на основе граничных условий, введенных пользователем. Чтобы проверить результаты компьютера, было бы двусмысленно сказать, что вы выполнили две симуляции и результаты одинаковы, поэтому это правильно. Вам необходимо проверить результаты, проведя тесты (эксперименты) в реальной ситуации.

Вы можете выполнять сколько угодно квантово-механических симуляций на квантовом компьютере, симуляции никогда не дадут вам более фундаментальных знаний о системе, чем те, которые вы в нее вложили.

Ученые использовали моделирование, чтобы постулировать существование бозона Хигга, но только до тех пор, пока они не провели эксперимент на Большом адронном коллайдере, они физически не нашли его и, таким образом, могли подтвердить, что их математические модели действительно правильны, но до этого момента все было просто предположением. , независимо от того, что говорят симуляции.

Когда дело доходит до дебатов между моделированием и экспериментом, некоторые сторонники моделирования утверждают, что они имеют равную эпистемическую ценность, потому что компьютерное моделирование — это физические процессы, происходящие внутри компьютера.

Вы — физическая система, поэтому, когда вы о чем-то думаете, это физический процесс, происходящий в вашем мозгу. Так можно ли думать о чем-то как эксперимент? Что-то здесь пошло совсем не так.

Продолжая этот аргумент с квантовой механикой, можно ли сказать, что моделирование квантовой механики с использованием квантового компьютера, работающего с использованием квантовой механики, можно считать экспериментом? В таком случае, не будет ли это иметь такое же эпистемическое значение, как проведение эксперимента в какой-нибудь физической лаборатории?

Смысл эксперимента в проверке теории. Если вы проводите эксперимент и ваша теория предсказывает результат X, а вы не получаете этого результата, то ваша теория в беде. Либо вы неправильно провели эксперимент, либо неверно истолковали результат, либо теория неверна.

Чтобы выполнить моделирование, вы должны угадать уравнение движения для соответствующей системы. Затем вам нужно придумать программу для вычисления эволюции по этому уравнению движения с соответствующим набором начальных условий. Как только вы это сделаете, подходящий универсальный компьютер сможет смоделировать интересующую вас систему с любой желаемой степенью точности. И вы можете не только запрограммировать его на получение правильного конечного результата, но и смоделировать все промежуточные этапы между начальными условиями и конечным результатом с любой желаемой степенью точности.

Таким образом, симуляция позволяет вам проработать последствия догадки об уравнении движения системы в тех случаях, когда вы не смогли решить его самостоятельно. Моделирование дает прогнозы, которые можно проверить с помощью реальной системы. Таким образом, запуск симуляции — это не то же самое, что проведение эксперимента, поскольку цель эксперимента — проверить, правы ли вы в отношении предполагаемого уравнения движения, а симуляция не может этого сделать.

Реальная линия на песке, вероятно, варьируется от человека к человеку, поэтому я бы не стал ожидать только одного ответа. Однако, как человек, который много занимается моделированием, я бы провел такую ​​линию:

В симуляции у вас есть вся информация, необходимая для получения окончательного результата. Он может быть не в удобной форме. Возможно, вам придется пропустить его через несколько триллионов транзисторов, чтобы привести его в удобочитаемую форму, но в самом процессе симуляции новая информация не генерируется. Вы просто извлекаете ценность из существующей информации. Единственные случаи, когда результаты моделирования «удивляют» вас, давая видимость новой информации, — это когда входные данные для моделирования содержали информацию, которую вы не полностью обработали.

Напротив, я рассматриваю эксперимент как нечто, потенциально способное раскрыть новую информацию, которой у вас не было. Информация, определяющая результат, еще не получена. Обычно здесь присутствует физический компонент, поскольку не все результаты эксперимента представлены в форме информации.

Исходя из этого сосредоточения на «информации», я бы сказал, что это зависит от квантовой программы, которую вы запускаете. Если квантовая программа, которую вы запускаете, явно написана так, что квантовые эффекты не важны для конечного результата, я бы назвал ее симуляцией. Однако если квантовая программа написана таким образом, что квантовые эффекты в реализации существенно влияют на вывод, это может быть экспериментом.

Линия, которую я рисую, тесно связана с разницей между синтаксисом и семантикой. Если результат может быть получен исключительно с помощью синтаксиса информации и процессов, которые манипулируют этой информацией, я склонен думать об этом как о симуляции. Если результат может быть получен только из семантики входных данных и процесса, например, конкретного поведения этого конкретного тестируемого устройства, я называю это скорее экспериментом.

И симуляции, и эксперименты воплощают идеи. Моделирование может реализовать любую идею в любом субстрате, в то время как эксперимент должен конкретизировать конкретный тип идеи — предлагаемое объяснение или гипотезу — в определенной форме — такой, которая, как считается, изменит нашу веру в это предлагаемое объяснение или гипотезу.

Запуск программы о каком-либо аспекте квантовой механики в любом месте (на квантовом компьютере или нет), который отвечает этим требованиям, представляет собой эксперимент.