Czy to dlatego, że nie wiemy dokładnie, jak tworzyć komputery kwantowe (i jak muszą one działać), czy też wiemy, jak tworzyć je w teorii, ale nie mamy narzędzi, aby faktycznie wykonać to w praktyce? Czy to połączenie dwóch powyższych? Jakieś inne powody?

W teorii dokładnie wiemy, jak zbudować komputer kwantowy. Ale jest to z natury trudniejsze niż zbudowanie klasycznego komputera.

W klasycznym komputerze nie musisz używać pojedynczej cząstki do kodowania bitów. Zamiast tego możesz powiedzieć, że cokolwiek mniejszego niż miliard elektronów to zero, a cokolwiek więcej niż to 1, i staraj się, powiedzmy, dwa miliardy elektronów do normalnego kodowania 1. To sprawia, że ​​z natury jesteś odporny na uszkodzenia: nawet jeśli są setki milionów elektronów więcej lub mniej niż oczekiwano, nadal otrzymasz poprawną klasyfikację jako cyfrową 0 lub 1.

W komputerze kwantowym ta sztuczka nie jest możliwa z powodu twierdzenia o nieklonowaniu: Nie można w sposób trywialny zastosować więcej niż jednej cząstki do zakodowania kubit (bit kwantowy). Zamiast tego musisz sprawić, by wszystkie twoje bramy działały tak dobrze, aby były nie tylko dokładne na poziomie pojedynczej cząstki, ale nawet na niewielkim ułamku tego, jak bardzo działają na pojedynczą cząsteczkę (do tak zwanego progu korekcji błędu kwantowego). Jest to o wiele trudniejsze niż dokładność bramek do setek milionów elektronów.

Tymczasem dysponujemy narzędziami, które ledwo tworzą komputery kwantowe z wymaganym poziomem dokładności. Ale jak dotąd nie udało się stworzyć dużego, co oznacza, że ​​może dokładnie działać na być może setkach tysięcy fizycznych kubitów potrzebnych do zaimplementowania około setek logicznych kubitów, aby następnie niezaprzeczalnie być w sferze, w której bije komputer kwantowy klasyczne komputery przy wybranych problemach (supremacja kwantowa).

Istnieje wiele powodów, zarówno w teorii, jak i implementacji, które znacznie utrudniają budowę komputerów kwantowych.

Najprostsze może być to: chociaż łatwo jest budować maszyny, które wykazują klasyczne zachowanie, demonstracje zachowania kwantowego wymagają naprawdę zimnych i naprawdę dokładnie kontrolowanych maszyn. Trudno jest uzyskać dostęp do termodynamicznych warunków reżimu kwantowego. Kiedy w końcu osiągniemy układ kwantowy, trudno jest go odizolować od środowiska, które stara się go rozszyfrować i przywrócić mu klasyczność.

Skalowalność to duży problem. Im większy nasz komputer, tym trudniej jest zachować kwant. Zjawiska, które obiecują uczynić komputery kwantowe naprawdę potężnymi, takie jak splątanie, wymagają, aby kubity mogły ze sobą współdziałać w kontrolowany sposób. Architektury, które umożliwiają tę kontrolę, są trudne do zaprojektowania i trudne do skalowania. Nikt nie zgodził się na projekt!

Jak wskazuje @pyramids, strategie, których używamy do poprawiania błędów w klasycznych maszynach, zazwyczaj obejmują klonowanie informacji, co jest zabronione przez teorię informacji kwantowej. Chociaż mamy pewne strategie ograniczania błędów w sprytny sposób kwantowy, wymagają one, aby kubity były już dość wolne od szumów i że mamy ich dużo. Jeśli nie jesteśmy w stanie ulepszyć naszej inżynierii przekraczającej pewien próg, nie możemy zastosować tych strategii - pogarszają sytuację!

Prostsza odpowiedź: wszystkie komputery kwantowe są również komputerami klasycznymi, jeśli ograniczysz ich bramę tylko do klasycznych bram, takich jak , która jest bramą NIE. Za każdym razem, gdy budujesz komputer kwantowy, budujesz także komputer klasyczny, więc możesz matematycznie udowodnić, że zbudowanie komputera kwantowego musi być co najmniej tak trudne, jak zbudowanie komputera klasycznego.$X$

Ważną kwestią jest to, że komputery kwantowe zawierają komputery klasyczne. Tak więc zbudowanie komputera kwantowego musi być co najmniej tak trudne, jak komputera klasycznego.

Aby uzyskać konkretną ilustrację, warto pomyśleć o uniwersalnych zestawach bram. W obliczeniach klasycznych możesz utworzyć dowolny obwód, korzystając z kombinacji tylko jednego rodzaju bramki. Często ludzie mówią o bramie NAND, ale ze względu na ten argument łatwiej jest mówić o bramce Toffoli (znanej również jako brama kontrolowana-kontrolowana-nie). Każdy klasyczny (odwracalny) obwód można zapisać w kategoriach całej gamy Toffolis. Dowolne obliczenia kwantowe można zapisać jako kombinację dwóch różnych rodzajów bram: Toffoli i Hadamarda.

Ma to bezpośrednie konsekwencje. Oczywiście, jeśli pytasz o dwie różne rzeczy, z których jedna nie istnieje w fizyce klasycznej, musi to być trudniejsze niż tylko stworzenie jednej rzeczy, która istnieje w fizyce klasycznej. Co więcej, korzystanie z Hadamarda oznacza, że ​​zbiory możliwych stanów, które należy wziąć pod uwagę, nie są już ortogonalne, więc nie można po prostu spojrzeć na stan i ustalić, jak postępować. Jest to szczególnie istotne w przypadku Toffoli, ponieważ w rezultacie staje się trudniejsze do wdrożenia: wcześniej można było bezpiecznie zmierzyć różne dane wejściowe i, w zależności od ich wartości, zrobić coś z danymi wyjściowymi. Ale jeśli dane wejściowe nie są ortogonalne (lub nawet jeśli są, ale w nieznanej podstawie!), Nie możesz ryzykować ich zmierzenia, ponieważ zniszczysz stany, w szczególności,

W 1996 r. David DiVincenzo wymienił pięć kluczowych kryteriów budowy komputera kwantowego:

1. Komputer kwantowy musi być skalowalny,
2. Musi być możliwa inicjalizacja kubitów,
3. Potrzebne są dobre kubity, nie można utracić stanu kwantowego,
4. Musimy mieć uniwersalny zestaw bram kwantowych,
5. Musimy być w stanie zmierzyć wszystkie kubity.

Dwa dodatkowe kryteria:

6. Zdolność do konwersji kubitów stacjonarnych i latających,
7. Możliwość przesyłania latających kubitów między odległymi lokalizacjami.

Długie wyjaśnienie

Muszę się nie zgodzić z tezą, że twierdzenie o braku klonowania utrudnia korekcję błędów z kodami powtórzeń. Biorąc pod uwagę, że twoje dane wejściowe są dostarczane w oparciu o obliczenia (tj. Dane wejściowe nie są arbitralnymi superpozycjami, co prawie zawsze ma miejsce, szczególnie gdy rozwiązujesz klasyczny problem, np. Algorytm Schora), możesz sklonować je za pomocą bramek kontrolowanych, a nie uruchom obliczenia równolegle na wszystkich kopiach, a następnie popraw błędy. Jedyną sztuczką jest upewnienie się, że nie wykonasz pomiaru podczas korekcji błędów (z wyjątkiem możliwego syndromu), a aby to zrobić, musisz nadal używać bram kwantowych.

Korekcja błędów dla komputerów kwantowych nie jest dużo trudniejsza niż dla klasycznych komputerów. Liniowość bierze większość postrzeganych trudności.

Chciałbym również wspomnieć, że istnieją znacznie bardziej wydajne schematy kwantowej korekcji błędów niż kody powtórzeń. I że potrzebujesz dwóch pauli-macierzy do wygenerowania reszty, więc potrzebujesz dwóch rodzajów kodów powtórzeń, jeśli zamierzasz wybrać nieefektywną, ale koncepcyjnie prostą trasę kodu powtórzeń (jedną dla odwracania bitów i drugą dla odwracania faz) .

Kwantowa korekcja błędów pokazuje, że liniowy wzrost liczby fizycznych kubitów na kubit logiczny poprawia wykładniczy poziom błędu, tak jak ma to miejsce w przypadku klasycznym.

Mimo to nie jesteśmy w pobliżu 100 fizycznych kubitów. To jest prawdziwy problem. Musimy być w stanie skleić znacznie więcej pół-dokładnych kubitów, zanim którekolwiek z nich zacznie mieć znaczenie.

Ultimate Black Box

Komputer kwantowy jest z definicji ostateczną czarną skrzynką. Wprowadzasz dane wejściowe i otrzymujesz proces, który daje wynik.

Każda próba otwarcia czarnej skrzynki spowoduje, że proces się nie odbędzie.

Każdy inżynier powiedziałby ci, że utrudniłby każdy proces projektowania. Nawet najmniejsza wada konstrukcyjna wymagałaby miesięcy prób i błędów w celu wykrycia.