Apakah karena kita tidak tahu persis bagaimana cara membuat komputer kuantum (dan bagaimana mereka harus bekerja), atau apakah kita tahu cara membuatnya dalam teori, tetapi tidak memiliki alat untuk benar-benar menjalankannya dalam praktik? Apakah campuran dari dua di atas? Ada alasan lain?

Kita tahu persis, secara teori, bagaimana membangun komputer kuantum. Tapi itu secara intrinsik lebih sulit daripada membangun komputer klasik.

Di komputer klasik, Anda tidak harus menggunakan satu partikel untuk menyandikan bit. Sebagai gantinya, Anda mungkin mengatakan bahwa apapun yang kurang dari satu miliar elektron adalah 0 dan lebih dari itu adalah 1, dan bertujuan untuk, katakanlah, dua miliar elektron untuk menyandikan 1 secara normal. Itu membuat Anda secara inheren toleran terhadap kesalahan: Sekalipun ada ratusan juta elektron lebih atau kurang dari yang diharapkan, Anda masih akan mendapatkan klasifikasi yang benar sebagai digital 0 atau 1.

Di komputer kuantum, trik ini tidak mungkin dilakukan karena teorema non-kloning: Anda tidak dapat dengan mudah menggunakan lebih dari satu partikel untuk mengkodekan qubit (bit kuantum). Sebagai gantinya, Anda harus membuat semua gerbang Anda beroperasi dengan sangat baik sehingga mereka tidak hanya akurat pada tingkat partikel tunggal, tetapi bahkan ke sebagian kecil dari seberapa banyak mereka bertindak pada satu partikel (ke apa yang disebut ambang koreksi kesalahan kuantum). Ini jauh lebih menantang daripada membuat gerbang akurat hanya dalam ratusan juta elektron.

Sementara itu kami memiliki alat untuk, hanya nyaris, membuat komputer kuantum dengan tingkat akurasi yang diperlukan. Tetapi belum ada yang berhasil membuat makna besar yang dapat secara akurat beroperasi pada mungkin ratusan ribu qubit fisik yang diperlukan untuk menerapkan seratus atau lebih qubit logis untuk kemudian dapat disangkal di ranah tempat komputer kuantum berdetak. komputer klasik pada masalah tertentu (supremasi kuantum).

Ada banyak alasan, baik dalam teori maupun implementasi, yang membuat komputer kuantum jauh lebih sulit untuk dibangun.

Mungkin yang paling sederhana adalah ini: walaupun mudah untuk membangun mesin yang menunjukkan perilaku klasik, demonstrasi perilaku kuantum membutuhkan mesin yang benar-benar dingin dan dikendalikan dengan tepat. Kondisi termodinamika rezim kuantum sulit diakses. Ketika kita akhirnya mencapai sistem kuantum, sulit untuk membuatnya terisolasi dari lingkungan yang berupaya mendekohnya dan membuatnya klasik kembali.

Skalabilitas adalah masalah besar. Semakin besar komputer kita, semakin sulit untuk menjaga kuantum. Fenomena yang menjanjikan untuk membuat komputer kuantum benar-benar kuat, seperti keterjeratan, membutuhkan qubit dapat berinteraksi satu sama lain secara terkendali. Arsitektur yang memungkinkan kontrol ini sulit untuk direkayasa, dan sulit untuk diukur. Tidak ada yang menyetujui desain!

Seperti yang ditunjukkan oleh @pyramids, strategi yang kami gunakan untuk memperbaiki kesalahan pada mesin klasik biasanya melibatkan informasi kloning, yang dilarang oleh teori informasi kuantum. Meskipun kami memiliki beberapa strategi untuk mengurangi kesalahan dengan cara kuantum yang cerdas, mereka mengharuskan agar qubit sudah cukup bebas noise dan kami memiliki banyak dari mereka. Jika kami tidak dapat meningkatkan teknik kami melewati beberapa ambang batas, kami tidak dapat menggunakan strategi ini - mereka membuat segalanya lebih buruk!

$X$

Satu poin penting adalah bahwa komputer kuantum mengandung komputer klasik. Jadi harus setidaknya sama sulitnya untuk membangun komputer kuantum seperti komputer klasik.

Untuk ilustrasi konkret, ada baiknya memikirkan set gerbang universal. Dalam perhitungan klasik, Anda dapat membuat rangkaian apa pun yang Anda inginkan melalui kombinasi hanya satu jenis gerbang. Seringkali orang berbicara tentang gerbang NAND, tetapi demi argumen ini, lebih mudah untuk berbicara tentang gerbang Toffoli (juga dikenal sebagai gerbang yang dikendalikan-dikendalikan-bukan). Setiap sirkuit klasik (reversibel) dapat ditulis dalam bentuk sejumlah besar Toffolis. Perhitungan kuantum sewenang-wenang dapat ditulis sebagai kombinasi dari dua jenis gerbang: Toffoli dan Hadamard.

Ini memiliki konsekuensi langsung. Jelas, jika Anda meminta dua hal yang berbeda, salah satunya tidak ada dalam fisika klasik, itu pasti lebih sulit daripada hanya membuat satu hal yang memang ada dalam fisika klasik. Selain itu, menggunakan Hadamard berarti bahwa set keadaan yang mungkin harus Anda pertimbangkan tidak lagi ortogonal, sehingga Anda tidak bisa begitu saja melihat keadaan dan menentukan bagaimana untuk melanjutkan. Ini sangat relevan dengan Toffoli, karena menjadi lebih sulit untuk diterapkan sebagai hasilnya: sebelumnya, Anda dapat dengan aman mengukur input yang berbeda dan, tergantung pada nilainya, melakukan sesuatu terhadap output. Tetapi jika inputnya tidak ortogonal (atau bahkan jika itu, tetapi dalam basis yang tidak diketahui!) Anda tidak bisa mengambil risiko mengukurnya karena Anda akan menghancurkan negara bagian, khususnya,

Pada tahun 1996, David DiVincenzo mendaftarkan lima kriteria utama untuk membangun komputer kuantum:

1. Komputer kuantum harus dapat diukur,
2. Harus dimungkinkan untuk menginisialisasi qubit,
3. Qubit baik diperlukan, keadaan kuantum tidak bisa hilang,
4. Kita perlu memiliki satu set universal gerbang kuantum,
5. Kita harus bisa mengukur semua qubit.

Dua kriteria tambahan:

6. Kemampuan untuk mempertukarkan qubit stasioner dan terbang,
7. Kemampuan untuk mengirimkan qubit terbang antara lokasi yang jauh.

Penjelasan Panjang

Saya harus tidak setuju dengan gagasan bahwa teorema no-kloning membuat koreksi kesalahan dengan kode pengulangan sulit. Mengingat bahwa input Anda disediakan dalam basis komputasi (yaitu input Anda bukan superposisi sewenang-wenang, yang hampir selalu terjadi, terutama ketika Anda memecahkan masalah klasik misalnya algoritma Schor), Anda dapat mengkloningnya dengan gerbang Not-controlled, jalankan perhitungan Anda secara paralel pada semua salinan, dan kemudian perbaiki kesalahan. Satu-satunya trik adalah memastikan Anda tidak melakukan pengukuran selama koreksi kesalahan (kecuali kemungkinan sindrom), dan untuk melakukan ini yang harus Anda lakukan adalah terus menggunakan gerbang kuantum.

Koreksi kesalahan untuk komputer kuantum tidak jauh lebih sulit daripada komputer klasik. Linearitas mengambil sebagian besar kesulitan yang dirasakan.

Saya juga ingin menyebutkan bahwa ada skema yang jauh lebih efisien untuk koreksi kesalahan kuantum daripada kode pengulangan. Dan bahwa Anda memerlukan dua matriks pauli untuk menghasilkan sisanya, jadi Anda perlu dua jenis kode pengulangan jika Anda akan memilih rute kode pengulangan yang tidak efisien, tetapi secara konseptual sederhana (satu untuk bit-flips dan satu untuk flips fase) .

Koreksi kesalahan kuantum menunjukkan bahwa peningkatan linear dalam jumlah qubit fisik per qubit logis meningkatkan tingkat kesalahan secara eksponensial, seperti halnya dalam kasus klasik.

Namun, kami sama sekali tidak mendekati 100 qubit fisik. Inilah masalah sebenarnya. Kita harus dapat merekatkan lebih banyak qubit semi-akurat bersama sebelum semua ini mulai menjadi masalah.

Kotak Hitam Tertinggi

Komputer kuantum adalah definisi kotak hitam utama. Anda memasukkan input dan Anda mendapatkan proses, yang menghasilkan output.

Setiap upaya untuk membuka kotak hitam, akan mengakibatkan proses tidak terjadi.

Insinyur mana pun akan memberi tahu Anda bahwa itu akan menghambat proses desain. Bahkan cacat desain terkecil akan membutuhkan berbulan-bulan percobaan dan kesalahan untuk melacak.