Bunun nedeni, kuantum bilgisayarları nasıl oluşturacağımızı (ve nasıl çalışması gerektiğini) tam olarak bilmiyor muyuz, yoksa teoride nasıl yaratacağımızı biliyor muyuz, ancak pratikte onu uygulayacak araçlara sahip değil miyiz? Yukarıdaki ikisinin karışımı mı? Başka sebep var mı?

Teorik olarak kuantum bir bilgisayarın nasıl inşa edileceğini tam olarak biliyoruz. Ancak bu, klasik bir bilgisayar oluşturmaktan çok daha zor.

Klasik bir bilgisayarda, bitleri kodlamak için tek bir parçacık kullanmak zorunda değilsiniz. Bunun yerine, bir milyar elektrondan daha az olan bir şeyin 0 olduğunu ve bundan daha fazla bir şeyin 1 olduğunu söyleyebilir ve normalde bir 1'i kodlamak için iki milyar elektronun hedeflenebileceğini söyleyebilirsiniz. Bu sizi doğal olarak hataya dayanıklı kılar: Beklenenden daha fazla veya daha az yüz milyonlarca elektron olsa bile, dijital 0 veya 1 olarak doğru sınıflandırmayı elde edersiniz.

Kuantum bilgisayarında, bu numara klonlama teoreminden dolayı mümkün değildir: Bir qubit'i (kuantum biti) kodlamak için önemsiz olarak birden fazla parçacık kullanamazsınız. Bunun yerine, tüm kapılarınızı o kadar iyi çalıştırmalısınız ki, bunlar sadece tek parçacık seviyesinde doğru değil, aynı zamanda tek bir parçacık üzerinde ne kadar etkili olduklarını (kuantum-hata düzeltme eşiği olarak adlandırılır) bile küçük bir kesirine kadar. Bu, yalnızca yüz milyonlarca elektron içerisindeki kapıların doğru olmasını sağlamaktan çok daha zordur.

Bu arada, kuantum bilgisayarları gerekli doğruluk düzeyinde ancak zorlukla yapacak araçlarımız var. Fakat hiç kimse, henüz, büyük olasılıkla kuantum bilgisayarın dövdüğü alanda yüzlerce ya da öylesine mantıksal kubit uygulamak için gerekli olan belki de yüz binlerce fiziksel qubit üzerinde çalışabilecek büyük bir anlam ifade etmedi. seçme problemlerde klasik bilgisayarlar (kuantum üstünlüğü).

Hem teoride hem de uygulamada, kuantum bilgisayarları inşa etmeyi zorlaştıran birçok neden var.

En basit olanı bu olabilir: klasik davranış sergileyen makineler yapmak kolay olsa da, kuantum davranış gösterileri gerçekten soğuk ve gerçekten hassas biçimde kontrol edilen makineler gerektirir. Kuantum rejiminin termodinamik koşullarına erişmesi zor. Sonunda kuantum bir sisteme ulaştığımızda, onu çözmeyi ve onu tekrar klasik hale getirmeyi amaçlayan çevreden izole tutmak zor.

Ölçeklenebilirlik büyük bir konudur. Bizim bilgisayar ne kadar büyükse, kuantum tutmak o kadar zor olur. Kuantum bilgisayarları, dolandırıcılık gibi, gerçekten güçlü kılmayı vaat eden olgular, kubitlerin birbirleriyle kontrollü bir şekilde etkileşime girmelerini gerektiriyor. Bu kontrole izin veren mimarilerin mühendisliği zor ve ölçeklemesi zordur. Kimse bir tasarım konusunda hemfikir değil!

@ Pyramids'in işaret ettiği gibi, klasik makinelerde hataları düzeltmek için kullandığımız stratejiler genellikle kuantum bilgi teorisi tarafından yasaklanan klonlama bilgilerini içerir. Hataları akıllı kuantum yollarla hafifletmek için bazı stratejilerimiz olsa da, kuaförlerin zaten oldukça gürültüsüz olmalarını ve çoğumuzun ellerinde olmasını gerektiriyorlar. Eğer mühendisliğimizi bir eşikten daha fazla iyileştiremezsek, bu stratejileri uygulayamayız - işleri daha da kötüleştirir!

$X$

Önemli noktalardan biri, kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlar içermesidir. Bu yüzden en azından klasik bir bilgisayar olduğu kadar kuantum bir bilgisayar inşa etmek zor olmalı.

Somut bir örnek için, evrensel kapı setleri hakkında düşünmeye değer. Klasik hesaplamada, sadece bir tür geçit kombinasyonu ile istediğiniz herhangi bir devreyi oluşturabilirsiniz. Genellikle insanlar NAND kapısından bahseder, ancak bu tartışmanın uğruna, Toffoli kapısından bahsetmek daha kolaydır (ayrıca kontrollü kontrollü olmayan kapı olarak da bilinir). Her klasik (geri dönüşümlü) devre bir sürü Toffolis cinsinden yazılabilir. Keyfi bir kuantum hesaplaması, iki farklı kapı tipinin bir kombinasyonu olarak yazılabilir: Toffoli ve Hadamard.

Bunun acil sonuçları vardır. Açıkçası, biri klasik fizikte bulunmayan iki farklı şey soruyorsanız, klasik fizikte var olan bir şeyi yapmaktan daha zor olmalı. Dahası, Hadamard'ı kullanmak demek, göz önünde bulundurmanız gereken olası durum kümelerinin artık dikey olmadığı anlamına gelir, bu nedenle sadece duruma bakıp nasıl devam edeceğinizi belirleyemezsiniz. Bu özellikle Toffoli ile ilgilidir, çünkü sonuç olarak uygulanması zorlaşır: daha önce, farklı girdileri güvenle ölçebilir ve değerlerine bağlı olarak çıktıya bir şeyler yapabilirsiniz. Ancak girdiler dikse bile değilse (veya olsalar bile, ancak bilinmeyen bir temelde!) Bunları ölçme riskini alamazsınız, çünkü durumları özellikle mahvedeceksiniz,

1996 yılında, David DiVincenzo, kuantum bir bilgisayar oluşturmak için beş temel kritere yer verdi:

1. Kuantum bir bilgisayar ölçeklenebilir olmalı,
2. Kriterleri başlatmak mümkün olmalı,
3. İyi qubitlere ihtiyaç duyulur, kuantum durumu kaybedilmez,
4. Evrensel bir kuantum kapısı setine ihtiyacımız var.
5. Tüm litreleri ölçebilmemiz gerekiyor.

İki ek kriter:

6. Durağan ve uçan boşlukları birbirine çevirebilme,
7. Uzak konumlar arasında uçan kuzgunları iletme yeteneği.

Uzun açıklama

Klonlama dışı teoreminin tekrar kodlarıyla hata düzeltmeyi zorlaştırdığı fikrine katılmıyorum. Girdilerinizin hesaplama temelinde sağlandığı göz önüne alındığında (örneğin girdiler isteğe bağlı süperpozisyonlar değil, neredeyse her zaman olduğu gibi, özellikle de klasik bir problemi çözerken, örneğin Schor algoritması), onları kontrollü-değil kapılarla klonlayabilirsiniz, hesaplamalarınızı tüm kopyalara paralel olarak çalıştırın ve ardından hataları düzeltin. Tek hile, hata düzeltme sırasında (sendromun mümkün olması dışında) ölçüm yapmadığınızdan emin olmak ve yapmanız gereken tek şey kuantum kapıları kullanmaya devam etmektir.

Kuantum bilgisayarlar için hata düzeltme, klasik bilgisayarlardan daha zor değildir. Doğrusallık, algılanan zorlukların çoğunu alabilir.

Ayrıca tekrar kodlarından ziyade kuantum hata düzeltmesi için çok daha etkili programlar olduğunu belirtmek isterim. Ve gerisini oluşturmak için iki pauli matrisine ihtiyacınız olduğunu, bu nedenle verimsiz, ancak kavramsal olarak basit bir tekrar kodunu (iki bit için bir tane ve faz çevirileri için bir tane) gidecekseniz, iki tür tekrar koduna ihtiyacınız vardır. .

Kuantum hata düzeltmesi, mantıksal kubit başına fiziksel aralık sayısındaki doğrusal artışın, tıpkı klasik durumda olduğu gibi, üstel olarak hata oranını arttırdığını göstermektedir.

Yine de, 100 fiziksel kuvvete yakın hiçbir yerde değiliz. Asıl sorun bu. Bunlardan herhangi biri farketmeden önce daha fazla yarı-hassas kesiti bir araya getirebilmemiz gerekiyor.

Nihai Kara Kutu

Kuantum bilgisayar tanımı gereği en büyük kara kutudur. Bir girdiyi beslersiniz ve çıktı üreten bir işlem elde edersiniz.

Kara kutuyu açma girişimleri, işlemin sonuçlanmamasına neden olacaktır.

Herhangi bir mühendis bunun herhangi bir tasarım sürecini engelleyeceğini söyleyecektir. En küçük tasarım hatası bile aylarca sürecek denemeler ve izlerin sürmesi ile sonuçlanabilir.