Це тому, що ми не знаємо, як саме створити квантові комп'ютери (і як вони повинні працювати), чи ми знаємо, як їх створити теоретично, але не маємо інструментів, щоб реально це виконати на практиці? Це поєднання вищезгаданих двох? Будь-які інші причини?

Ми точно знаємо, теоретично, як побудувати квантовий комп'ютер. Але це по суті складніше, ніж побудувати класичний комп'ютер.

У класичному комп’ютері не потрібно використовувати одну частинку для кодування бітів. Натомість ви можете сказати, що що-небудь менше мільярда електронів - це 0, а що-небудь більше, ніж це 1, і націлити, скажімо, два мільярди електронів, щоб кодувати 1 нормально. Це робить вас за властивістю відмовою: Навіть якщо на сотні мільйонів електронів більше або менше, ніж очікувалося, ви все одно отримаєте правильну класифікацію як цифровий 0 або 1.

У квантовому комп'ютері цей трюк неможливий через теорему про не клонування: Ви не можете тривіально використовувати більше однієї частинки для кодування кубіта (квантовий біт). Натомість ви повинні змусити всі ваші ворота діяти так добре, що вони не просто точні до рівня однієї частинки, але навіть до крихітної частки того, наскільки вони діють на одну частинку (до так званого порогу корекції квантових помилок). Це набагато складніше, ніж отримати ворота точними лише в межах сотень мільйонів електронів.

Тим часом у нас є інструменти для того, щоб ледь зробити квантові комп'ютери з необхідним рівнем точності. Але поки що ніхто не встиг скласти великого значення, який би міг точно оперувати, мабуть, сотнями тисяч фізичних кубітів, необхідних для реалізації сотень логічних кубітів, щоб потім безперечно опинитися у царині, де б'є квантовий комп'ютер. класичні комп’ютери при вибраних проблемах (квантова перевага).

Існує багато причин, як в теорії, так і в реалізації, які ускладнюють побудову квантових комп'ютерів.

Найпростішим може бути таке: хоча легко створити машини, які демонструють класичну поведінку, демонстрація квантової поведінки вимагає дійсно холодних і дійсно точно керованих машин. Термодинамічні умови квантового режиму просто важкодоступні. Коли ми нарешті досягнемо квантової системи, важко тримати її ізольованою від середовища, яке прагне прикрасити її і знову зробити її класичною.

Масштабованість - велике питання. Чим більший наш комп’ютер, тим важче зберегти квантовий. Явища, які обіцяють зробити квантові комп'ютери по-справжньому потужними, як заплутаність, вимагають, щоб кубіти могли взаємодіяти з будь-якими іншими контрольованими способами. Архітектури, які дозволяють це управління, важко інженерні та важкі для масштабування. Ніхто не домовився про дизайн!

Як вказує @pyramids, стратегії, які ми використовуємо для виправлення помилок у класичних машинах, зазвичай включають інформацію про клонування, що заборонено теорією квантової інформації. Хоча у нас є деякі стратегії пом'якшення помилок кмітливими квантовими способами, вони вимагають, щоб кубіти вже були без шуму, і їх у нас багато. Якщо ми не зможемо покращити нашу інженерну технологію за деякий поріг, ми не можемо використовувати ці стратегії - вони погіршують ситуацію!

$X$

Важливим моментом є те, що квантові комп'ютери містять класичні комп'ютери. Тому побудувати квантовий комп'ютер потрібно як мінімум так само складно, як і класичний комп'ютер.

Для конкретної ілюстрації варто подумати про універсальні набори воріт. У класичних обчисленнях ви можете створити будь-яку схему, яку ви хочете, поєднавши лише один тип воріт. Часто люди говорять про ворота NAND, але заради цього аргументу простіше говорити про ворота Toffoli (також відомий як ворота з контрольованим керуванням, який не контролюється). Кожен класичний (оборотний) контур може бути записаний у вигляді цілого ряду Toffolis. Довільне квантове обчислення можна записати у вигляді комбінації двох різних типів воріт: Тоффолі та Адамара.

Це має негайні наслідки. Очевидно, що якщо ви запитуєте дві різні речі, одна з яких не існує в класичній фізиці, це повинно бути важче, ніж просто зробити єдине, що існує в класичній фізиці. Більше того, використання Адамара означає, що набори можливих станів, які ви повинні врахувати, вже не є ортогональними, тому ви не можете просто подивитися на стан і визначити, як діяти далі. Це особливо актуально для Toffoli, тому що це стає важче здійснити в результаті: раніше ви могли сміливо вимірювати різні входи і, залежно від їх значень, робити щось на виході. Але якщо входи не є ортогональними (або навіть якщо вони є, але в невідомій основі!), Ви не можете ризикувати їх вимірюванням, оскільки ви зруйнуєте штати, зокрема,

У 1996 році Девід ДіВінченцо перерахував п'ять основних критеріїв для створення квантового комп'ютера:

1. Квантовий комп'ютер повинен бути масштабованим,
2. Потрібно мати можливість ініціалізації кубітів,
3. Потрібні хороші кубіти, квантовий стан неможливо втратити,
4. Нам потрібно мати універсальний набір квантових воріт,
5. Нам потрібно вміти вимірювати всі кубіти.

Два додаткові критерії:

6. Здатність перетворювати стаціонарні та літаючі кубіти,
7. Можливість передавати літаючі кубіти між віддаленими місцями.

Довге пояснення

Я повинен не погодитися з думкою, що теорема про клонування ускладнює виправлення помилок із кодами повторень. Зважаючи на те, що ваші входи надаються в обчислювальній основі (тобто введення не є довільними суперпозиціями, що майже завжди буває, особливо коли ви вирішуєте класичну задачу, наприклад, алгоритм Щора), ви можете їх клонувати за допомогою контрольованих воріт, а не паралельно запускайте обчислення на всіх копіях та виправляйте помилки. Єдина хитрість - переконатися, що ви не зробите вимірювання під час виправлення помилок (за винятком можливого синдрому), і для цього все, що вам потрібно зробити, - це продовжувати використовувати квантові ворота.

Виправлення помилок для квантових комп'ютерів не набагато складніше, ніж для класичних комп'ютерів. Лінійність займає більшість сприйнятих труднощів.

Я також хотів би зазначити, що для квантового виправлення помилок є набагато ефективніші схеми, ніж коди повторень. І що вам потрібні дві матриці паулі для генерації решти, тому вам потрібні два типи кодів повторень, якщо ви збираєтесь піти на неефективний, але концептуально простий маршрут коду повторення (один для біт-фліпів і один для фазових фліп) .

Квантова корекція помилок показує, що лінійне збільшення кількості фізичних кубітів на логічний кубіт покращує показник помилок в експоненціальній формі, як і в класичному випадку.

І все-таки ми ніде поблизу 100 фізичних кубітів. Це справжня проблема. Нам потрібно вміти склеювати набагато більше напівточних кубітів, перш ніж будь-яке з них почне мати значення.

Кінцевий чорний ящик

Квантовий комп'ютер за визначенням є кінцевою чорною скринькою. Ви подаєте вхід і отримуєте процес, який дає результат.

Будь-яка спроба відкрити чорну скриньку призведе до того, що процес не відбудеться.

Будь-який інженер сказав би вам, що перешкоджає будь-якому процесу проектування. Навіть найменший недолік дизайну потребує місяців випробувань та помилок, щоб простежити.