Có phải vì chúng ta không biết chính xác cách tạo ra máy tính lượng tử (và cách chúng phải hoạt động) hay chúng ta biết cách tạo ra nó trên lý thuyết, nhưng không có công cụ để thực hiện nó trong thực tế? Có phải là một sự pha trộn của hai ở trên? Còn lý do nào khác không?

Về lý thuyết, chúng ta biết chính xác cách xây dựng một máy tính lượng tử. Nhưng về bản chất, điều đó khó hơn việc xây dựng một máy tính cổ điển.

Trong một máy tính cổ điển, bạn không phải sử dụng một hạt duy nhất để mã hóa bit. Thay vào đó, bạn có thể nói rằng bất cứ thứ gì nhỏ hơn một tỷ electron đều là 0 và bất cứ thứ gì nhiều hơn 1, và nhắm đến, giả sử, hai tỷ electron để mã hóa 1 bình thường. Điều đó khiến bạn có khả năng chịu lỗi: Ngay cả khi có hàng trăm triệu electron nhiều hơn hoặc ít hơn mong đợi, bạn vẫn sẽ có được phân loại chính xác là 0 hoặc 1 kỹ thuật số.

Trong một máy tính lượng tử, thủ thuật này không thể thực hiện được do định lý không nhân bản: Bạn không thể sử dụng nhiều hơn một hạt để mã hóa một qubit (bit lượng tử). Thay vào đó, bạn phải làm cho tất cả các cổng của bạn hoạt động tốt đến mức chúng không chỉ chính xác đến cấp hạt đơn lẻ mà thậm chí chỉ một phần rất nhỏ chúng hoạt động trên một hạt (đến ngưỡng được gọi là ngưỡng hiệu chỉnh lỗi lượng tử). Điều này khó khăn hơn nhiều so với việc có được các cổng chính xác chỉ trong vòng hàng trăm triệu electron.

Trong khi đó, chúng tôi có các công cụ để tạo ra các máy tính lượng tử với mức độ chính xác cần thiết. Nhưng cho đến nay, chưa ai có thể tạo ra một cái lớn có nghĩa là có thể vận hành chính xác trên hàng trăm ngàn qubit vật lý cần thiết để thực hiện hàng trăm qubit hợp lý để sau đó không thể chối cãi trong cõi máy tính lượng tử. máy tính cổ điển tại các vấn đề chọn lọc (tối cao lượng tử).

Có nhiều lý do, cả về lý thuyết và thực hiện, khiến cho máy tính lượng tử khó chế tạo hơn nhiều.

Đơn giản nhất có thể là thế này: mặc dù rất dễ chế tạo máy móc thể hiện hành vi cổ điển, nhưng việc thể hiện hành vi lượng tử đòi hỏi máy móc thực sự lạnh và được điều khiển chính xác. Các điều kiện nhiệt động của chế độ lượng tử chỉ khó tiếp cận. Cuối cùng khi chúng ta đạt được một hệ thống lượng tử, thật khó để giữ nó cách ly với môi trường tìm cách trang trí nó và làm cho nó trở nên cổ điển một lần nữa.

Khả năng mở rộng là một vấn đề lớn. Máy tính của chúng ta càng lớn thì càng khó giữ lượng tử. Các hiện tượng hứa hẹn làm cho máy tính lượng tử thực sự mạnh mẽ, như vướng víu, đòi hỏi các qubit có thể tương tác với nhau theo cách được kiểm soát. Các kiến ​​trúc cho phép điều khiển này khó thiết kế và khó mở rộng. Không ai đồng ý về một thiết kế!

Như @pyramids chỉ ra, các chiến lược chúng tôi sử dụng để sửa lỗi trong các máy cổ điển thường liên quan đến thông tin nhân bản, bị cấm bởi lý thuyết thông tin lượng tử. Mặc dù chúng tôi có một số chiến lược để giảm thiểu sai sót theo các cách lượng tử thông minh, nhưng chúng yêu cầu các qubit đã không có tiếng ồn và chúng tôi có rất nhiều trong số chúng. Nếu chúng tôi không thể cải thiện kỹ thuật của mình vượt qua một số ngưỡng, chúng tôi không thể sử dụng các chiến lược này - chúng làm mọi thứ tồi tệ hơn!

$X$

Một điểm quan trọng là máy tính lượng tử chứa máy tính cổ điển. Vì vậy, ít nhất phải khó để chế tạo một máy tính lượng tử vì nó là một máy tính cổ điển.

Đối với một minh họa cụ thể, đáng suy nghĩ về các bộ cổng phổ quát. Trong tính toán cổ điển, bạn có thể tạo bất kỳ mạch nào bạn muốn thông qua sự kết hợp của chỉ một loại cổng duy nhất. Mọi người thường nói về cổng NAND, nhưng vì lý do này, việc nói về cổng Toffoli dễ dàng hơn (còn được gọi là cổng không được kiểm soát có kiểm soát). Mỗi mạch cổ điển (có thể đảo ngược) có thể được viết dưới dạng toàn bộ Toffolis. Một tính toán lượng tử tùy ý có thể được viết dưới dạng kết hợp của hai loại cổng khác nhau: Toffoli và Hadamard.

Điều này có hậu quả ngay lập tức. Rõ ràng, nếu bạn yêu cầu hai thứ khác nhau, một trong số đó không tồn tại trong vật lý cổ điển, thì điều đó khó hơn là chỉ tạo ra một thứ tồn tại trong vật lý cổ điển. Hơn nữa, việc sử dụng Hadamard có nghĩa là tập hợp các trạng thái có thể bạn phải xem xét không còn trực giao, vì vậy bạn không thể chỉ nhìn vào trạng thái và xác định cách tiến hành. Điều này đặc biệt có liên quan đến Toffoli, vì nó trở nên khó thực hiện hơn do đó: trước đây, bạn có thể đo lường một cách an toàn các đầu vào khác nhau và, phụ thuộc vào giá trị của chúng, làm gì đó với đầu ra. Nhưng nếu các yếu tố đầu vào không trực giao (hoặc thậm chí nếu có, nhưng trong một cơ sở không xác định!), Bạn không thể mạo hiểm đo lường chúng vì bạn sẽ phá hủy các trạng thái, cụ thể là,

Năm 1996, David DiVincenzo đã liệt kê năm tiêu chí chính để xây dựng một máy tính lượng tử:

1. Một máy tính lượng tử phải có khả năng mở rộng,
2. Nó phải có khả năng khởi tạo các qubit,
3. Các qubit tốt là cần thiết, trạng thái lượng tử không thể bị mất,
4. Chúng ta cần phải có một bộ cổng lượng tử phổ quát,
5. Chúng ta cần có khả năng đo lường tất cả các qubit.

Hai tiêu chí bổ sung:

6. Khả năng xen kẽ các qubit đứng yên và bay,
7. Khả năng truyền qubit bay giữa các địa điểm xa.

Giải thích dài

Tôi phải không đồng ý với ý kiến ​​cho rằng định lý không nhân bản làm cho việc sửa lỗi với các mã lặp lại trở nên khó khăn. Cho rằng đầu vào của bạn được cung cấp trên cơ sở tính toán (nghĩa là đầu vào của bạn không phải là chồng chập tùy ý, điều này hầu như luôn luôn như vậy, đặc biệt là khi bạn đang giải quyết một vấn đề cổ điển, ví dụ thuật toán của Schor), bạn có thể sao chép chúng bằng các cổng Không được kiểm soát, chạy tính toán của bạn song song trên tất cả các bản sao và sau đó sửa lỗi. Bí quyết duy nhất là đảm bảo bạn không thực hiện phép đo trong quá trình sửa lỗi (trừ trường hợp có thể xảy ra hội chứng) và để làm điều này, tất cả những gì bạn phải làm là tiếp tục sử dụng cổng lượng tử.

Sửa lỗi cho máy tính lượng tử không khó hơn nhiều so với máy tính cổ điển. Tuyến tính có thể của hầu hết các khó khăn nhận thức.

Tôi cũng muốn đề cập rằng có nhiều phương án hiệu quả hơn để sửa lỗi lượng tử so với mã lặp lại. Và rằng bạn cần hai ma trận để tạo phần còn lại, vì vậy bạn cần hai loại mã lặp lại nếu bạn định sử dụng tuyến mã lặp lại không hiệu quả, nhưng đơn giản về mặt khái niệm (một cho lật bit và một cho lật pha) .

Sửa lỗi lượng tử cho thấy rằng việc tăng tuyến tính số lượng qubit vật lý trên mỗi qubit logic sẽ cải thiện tỷ lệ lỗi theo cấp số nhân, giống như trong trường hợp cổ điển.

Tuy nhiên, chúng ta không ở đâu gần 100 qubit vật lý. Đây thực sự là vấn đề. Chúng ta cần có khả năng kết dính nhiều qubit bán chính xác hơn với nhau trước khi bất kỳ điều này bắt đầu có vấn đề.

Hộp đen cuối cùng

Một máy tính lượng tử theo định nghĩa là hộp đen cuối cùng. Bạn cung cấp đầu vào và bạn nhận được một quy trình, tạo ra đầu ra.

Bất kỳ nỗ lực để mở hộp đen, sẽ dẫn đến quá trình không xảy ra.

Bất kỳ kỹ sư sẽ nói với bạn rằng sẽ cản trở bất kỳ quá trình thiết kế. Ngay cả lỗ hổng thiết kế nhỏ nhất cũng sẽ mất nhiều tháng thử nghiệm và lỗi để tìm ra.