Lập luận rằng các máy tính lượng tử thực tế không thể được xây dựng là gì?

Một câu trả lời cho một câu hỏi khác đề cập rằng

Có những lập luận cho thấy rằng những máy như vậy ["máy Turing lượng tử"] thậm chí không thể được chế tạo ...

Tôi không chắc là tôi hoàn toàn hiểu vấn đề, vì vậy có lẽ tôi không hỏi đúng câu hỏi, nhưng đây là những gì tôi có thể thu thập được.

Các slide được trình bày trong một bài giảng (từ năm 2013) bởi Giáo sư Gil Kalai (Đại học Do Thái Jerusalem và Đại học Yale). Tôi đã xem hầu hết các bài giảng, và dường như tuyên bố của ông là có một rào cản để tạo ra các máy tính lượng tử chịu lỗi (FTCQ), và rào cản này có lẽ nằm xung quanh việc tạo ra các qubit logic từ các thành phần vật lý. (dấu thời gian 26:20):

Có vẻ như lý do cho một rào cản như vậy là do vấn đề tiếng ồn và sửa lỗi. Và mặc dù nghiên cứu hiện tại có tính đến tiếng ồn, nhưng nó không thực hiện đúng cách (đây là phần tôi không hiểu).

Tôi biết nhiều người (ví dụ, Scott Aaronson) hoài nghi về tuyên bố bất khả thi này, nhưng tôi chỉ đang cố gắng để hiểu rõ hơn về lập luận:

Lý do cho thấy rằng máy tính lượng tử thực tế không thể được chế tạo (như được trình bày bởi Giáo sư Gil Kalai, và có gì thay đổi kể từ năm 2013)?

Nếu ý định của bạn là tìm hiểu các lập luận của Gil Kalai, tôi khuyên bạn nên đăng bài viết trên blog sau đây của mình: Luận cứ của tôi chống lại máy tính lượng tử: Một cuộc phỏng vấn với Katia Moskvitch trên Tạp chí Quanta (và các liên kết ở đó).

Để có biện pháp tốt, tôi cũng sẽ chuyển sang Chuyển động vĩnh viễn của Thế kỷ 21? (đặc biệt là các ý kiến). Bạn cũng có thể thấy những điểm nổi bật trong Cuộc tranh luận lượng tử của tôi với Aram Harrow: Dòng thời gian, Điểm nổi bật phi kỹ thuật và Flashback I và Cuộc tranh luận lượng tử của tôi với Aram II . Cuối cùng, nếu bạn chưa có, hãy xem Scott Aaronson có hay không Chúa chơi trò súc sắc, tôi làm .

Đầu tiên, một bản tóm tắt ngắn gọn về quan điểm của Kalai từ bài viết Thông báo của anh ấy (xem thêm Câu đố về máy tính lượng tử @ Thông báo của AMS ):

Hiểu máy tính lượng tử khi có tiếng ồn đòi hỏi phải xem xét hành vi ở các quy mô khác nhau. Ở quy mô nhỏ, các mô hình tiếng ồn tiêu chuẩn từ giữa những năm 90 là phù hợp, và các diễn biến lượng tử và trạng thái được mô tả bởi chúng biểu hiện một sức mạnh tính toán ở mức rất thấp. Hành vi quy mô nhỏ này có hậu quả sâu rộng đối với hành vi của các hệ lượng tử ồn ào ở quy mô lớn hơn. Một mặt, nó không cho phép đạt đến điểm khởi đầu cho khả năng chịu lỗi lượng tử và uy quyền lượng tử, khiến cả hai đều không thể ở mọi quy mô. Mặt khác, nó dẫn đến những cách ngầm mới lạ để mô hình hóa nhiễu ở quy mô lớn hơn và dự đoán khác nhau về hành vi của các hệ lượng tử ồn ào.

Thứ hai, một lập luận gần đây về lý do tại sao ông nghĩ rằng sửa lỗi cổ điển là có thể nhưng sửa lỗi lượng tử thì không.

Không giống như cơ chế lặp lại / đa số được hỗ trợ bởi sức mạnh tính toán rất nguyên thủy, tạo ra mã sửa lỗi lượng tử và nhiệm vụ dễ dàng hơn để chứng minh uy quyền lượng tử không thể đạt được bởi các thiết bị có mức độ phức tạp tính toán rất thấp.

(Trong cuộc trò chuyện được đề cập ở trên với Aram Harrow, người ta chỉ ra rằng nếu ai đó trực tiếp lấy các đối số ban đầu của Kalai, thì ngay cả việc sửa lỗi cổ điển cũng không thể thực hiện được.)

Trong bài đăng, Kalai tiếp tục lập luận rằng một máy tính lượng tử nguyên thủy sẽ không thể sửa lỗi.

Q: Nhưng tại sao bạn không thể đơn giản tạo ra các qubit đủ tốt để cho phép các mạch lượng tử phổ quát với 50 qubit?

Trả lời: Điều này sẽ cho phép các thiết bị rất nguyên thủy (về mặt hành vi tiệm cận của độ phức tạp tính toán) để thực hiện tính toán vượt trội.

Kalai cũng đã có một bài giảng ( YouTube ) về lý do tại sao điện toán lượng tử tôpô không hoạt động.

Hỏi: "Lý do nào cho thấy máy tính lượng tử thực tế không thể được chế tạo ( như được trình bày bởi Giáo sư Gil Kalai , và có gì thay đổi kể từ năm 2013)?".

Trong một cuộc phỏng vấn có tiêu đề " Chuyển động vĩnh viễn của thế kỷ 21? ", Giáo sư Kalai tuyên bố:

"Đối với các hệ lượng tử, có những trở ngại đặc biệt, chẳng hạn như không thể tạo ra các bản sao chính xác của các trạng thái lượng tử nói chung. Tuy nhiên, phần lớn lý thuyết về sửa lỗi đã được thực hiện và định lý ngưỡng nổi tiếng cho thấy tính toán lượng tử chịu lỗi (FTQC) là có thể nếu đáp ứng một số điều kiện nhất định. Điều kiện được nhấn mạnh nhất đặt ra một ngưỡng cho tỷ lệ lỗi tuyệt đối, một lệnh vẫn có mức độ nghiêm trọng hơn so với những gì công nghệ hiện tại đạt được nhưng có thể tiếp cận được. các lỗi có đủ tính độc lập để các chương trình này hoạt động hoặc tương quan giới hạn ở những gì chúng có thể xử lý. ".

Trong một bài viết trước đây của mình có tựa đề " Máy tính lượng tử: Mô hình tiếng ồn truyền động và tiếng ồn đối nghịch ", ông tuyên bố:

Trang 2: "Tính khả thi của máy tính lượng tử vượt trội về mặt tính toán là một trong những vấn đề khoa học hấp dẫn nhất của thời đại chúng ta. Mối quan tâm chính về tính khả thi của máy tính lượng tử là hệ thống lượng tử vốn đã ồn ào. Lý thuyết về sửa lỗi lượng tử và lượng tử chịu lỗi. tính toán (FTQC) cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho khả năng xây dựng máy tính lượng tử. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ thảo luận về các mô hình nhiễu đối nghịch có thể thất bại trong tính toán lượng tử. Bài báo này trình bày phê bình về sửa lỗi lượng tử và sự hoài nghi về tính khả thi của máy tính lượng tử. ".

Trang 19: "Vấn đề chính do đó là phải hiểu và mô tả tươi (hoặc vô cùng nhỏ) hoạt động tiếng ồn Các mô hình gây tranh cãi chúng ta xem xét ở đây nên được coi là mô hình cho tiếng ồn tươi Nhưng hành vi của các lỗi tích lũy trong mạch lượng tử cho phép tuyên truyền lỗi.. là một mô hình vai trò của người nổi tiếng vì các mô hình tiếng ồn mới của chúng tôi.

Bức tranh chung của FTQC khẳng định:

• Dung sai lỗi sẽ hoạt động nếu chúng ta có thể giảm các lỗi cổng / qubit mới xuống dưới một ngưỡng nhất định. Trong trường hợp này lan truyền lỗi sẽ bị triệt tiêu.

Những gì chúng tôi đề xuất là:

• Dung sai lỗi sẽ không hoạt động vì lỗi tổng thể sẽ hoạt động giống như lỗi tích lũy đối với lan truyền lỗi tiêu chuẩn (đối với các mạch cho phép lan truyền lỗi), mặc dù không nhất thiết là do lan truyền lỗi.

Do đó, đối với một mô hình thích hợp của các máy tính lượng tử nhiễu, các lỗi mới sẽ hoạt động giống như các lỗi tích lũy để lan truyền lỗi tiêu chuẩn (đối với các mạch cho phép lan truyền lỗi).

(Kết quả là, cuối cùng, chúng tôi sẽ không thể tránh được sự lan truyền lỗi.) ".

Trang 23: "Phỏng đoán B: Trong bất kỳ máy tính lượng tử ồn ào nào ở trạng thái vướng víu cao sẽ có tác động mạnh mẽ đến việc đồng bộ hóa lỗi.

Chúng ta nên giải thích một cách không chính thức tại thời điểm này tại sao những phỏng đoán này, nếu đúng, lại gây tổn hại. Chúng tôi bắt đầu với Phỏng đoán B. Các trạng thái của máy tính lượng tử áp dụng mã sửa lỗi cần thiết cho FTQC rất vướng mắc (theo bất kỳ định nghĩa chính thức nào về sự vướng víu cao của Drake). Phỏng đoán B sẽ ngụ ý rằng ở mỗi chu kỳ máy tính sẽ có một xác suất nhỏ nhưng đáng kể rằng số lượng qubit bị lỗi sẽ lớn hơn nhiều so với ngưỡng. Điều này trái ngược với các giả định tiêu chuẩn rằng xác suất số lượng qubit bị lỗi lớn hơn nhiều so với ngưỡng giảm theo cấp số nhân với số lượng qubit. Có một xác suất nhỏ nhưng đáng kể về một số lượng lớn các qubit bị lỗi là đủ để làm hỏng các mã sửa lỗi lượng tử. ".

Xem thêm bài viết của ông: " Cách máy tính lượng tử thất bại: Mã lượng tử, tương quan trong hệ thống vật lý và tích lũy tiếng ồn ".

Nhiều người không hài lòng, và nhiều thứ đã thay đổi, xem trang Wikipedia này: " Định lý ngưỡng lượng tử ", hoặc bài báo này " Tính toán lượng tử thử nghiệm trên Qubit được mã hóa tôpô ", thậm chí có bài báo này về đo lường lượng tử trong đó các tác giả tuyên bố rằng: "Sử dụng về sự kết hợp và vướng víu như tài nguyên lượng tử đo lường cho phép cải thiện độ chính xác của phép đo từ giới hạn tiếng ồn hoặc lượng tử đến giới hạn Heisenberg. " trong bài báo của họ: " Đo lường lượng tử với qutrit transmon " bằng cách sử dụng các kích thước bổ sung.

Tôi không thể nhận xét về các chi tiết cụ thể trong lập luận của anh ấy, vì tôi không yêu cầu hiểu đầy đủ về chúng. Nhưng nói chung, chúng ta phải tự hỏi liệu cơ học lượng tử sẽ tiếp tục có giá trị đối với nhiều hệ thống qubit và trạng thái nằm sâu trong không gian Hilbert.

Vật lý là tất cả về việc quan sát thiên nhiên, xây dựng lý thuyết, xác nhận các lý thuyết và sau đó tìm ra nơi chúng bị phá vỡ. Sau đó, chu kỳ bắt đầu lại.

Chúng tôi chưa bao giờ có hệ thống lượng tử sạch, được kiểm soát tốt và lớn như bộ xử lý lượng tử hiện tại. Các thiết bị có khả năng loại bỏ 'uy quyền' thậm chí còn vượt xa trải nghiệm thử nghiệm hiện tại của chúng tôi. Vì vậy, nó là hợp lệ để tự hỏi nếu góc QM chưa được chứng minh này có thể là nơi tất cả bị phá vỡ. Có lẽ các hiệu ứng 'hậu lượng tử' mới sẽ xuất hiện, hoạt động hiệu quả như các dạng nhiễu không chính xác.

Tất nhiên, hầu hết chúng ta không nghĩ rằng nó sẽ. Và chúng tôi hy vọng nó sẽ không, hoặc sẽ không có máy tính lượng tử. Tuy nhiên, chúng ta phải cởi mở với khả năng chúng ta sai.

Và thiểu số nghĩ rằng điện toán lượng tử sẽ thất bại nên mở ra cho ý tưởng rằng họ cũng sai. Hy vọng rằng, họ sẽ không trở thành thương hiệu mới của 'Người vi phạm Bell'.