เป็นเพราะเราไม่รู้วิธีสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม (และต้องทำงานอย่างไร) หรือเรารู้วิธีสร้างคอมพิวเตอร์ในทางทฤษฎี แต่ไม่มีเครื่องมือที่จะใช้จริง ๆ ในทางปฏิบัติ? มันเป็นการผสมผสานของสองข้อข้างต้นหรือไม่? มีเหตุผลอื่นอีกไหม?

ในทางทฤษฎีเรารู้อย่างแน่นอนว่าจะสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้อย่างไร แต่นั่นยากกว่าการสร้างคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม

ในคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิคคุณไม่จำเป็นต้องใช้อนุภาคเดี่ยวเพื่อเข้ารหัสบิต คุณอาจพูดว่าอะไรก็ตามที่น้อยกว่าหนึ่งพันล้านอิเล็กตรอนคือ 0 และอะไรก็ตามที่มากกว่า 1 ก็คือและมีจุดมุ่งหมายที่จะพูดว่าอิเล็กตรอนสองพันล้านตัวในการเข้ารหัส 1 ตามปกติ นั่นทำให้คุณสามารถทนต่อความผิดพลาดได้อย่างแท้จริง: แม้ว่าจะมีอิเล็กตรอนหลายร้อยล้านมากกว่าหรือน้อยกว่าที่คาดไว้คุณจะยังคงได้รับการจำแนกประเภทที่ถูกต้องในรูปแบบดิจิตอล 0 หรือ 1

ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมเคล็ดลับนี้เป็นไปไม่ได้เนื่องจากทฤษฎีบทที่ไม่ได้โคลน: คุณไม่สามารถจ้างอนุภาคมากกว่าหนึ่งอนุภาคเพื่อเข้ารหัส qubit (ควอนตัมบิต) ได้ แต่คุณต้องทำให้ประตูทั้งหมดของคุณทำงานได้อย่างดีโดยที่ไม่เพียง แต่แม่นยำกับระดับอนุภาคเดียว แต่ถึงแม้จะเป็นเพียงเศษเสี้ยวเล็ก ๆ ของการทำงานของพวกมันบนอนุภาคเดียว นี่เป็นสิ่งที่ท้าทายยิ่งกว่าการได้รับความแม่นยำจากประตูภายในอิเล็กตรอนหลายร้อยล้านเท่านั้น

ในขณะเดียวกันเรามีเครื่องมือที่จะสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีระดับความแม่นยำที่ต้องการ แต่ก็ยังไม่มีใครที่สามารถสร้างความหมายที่ใหญ่ซึ่งสามารถทำงานได้อย่างถูกต้องกับ qubits ทางกายภาพที่อาจจำเป็นต้องใช้ qubits ทางตรรกะหนึ่งร้อยหรือมากกว่านั้นจึงไม่อาจปฏิเสธได้ในอาณาจักรที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมเต้น คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมที่มีปัญหาการเลือก (ควอนตัมอำนาจสูงสุด)

มีเหตุผลมากมายทั้งในทางทฤษฎีและการใช้งานซึ่งทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมสร้างได้ยากกว่ามาก

สิ่งที่ง่ายที่สุดอาจเป็นเช่นนี้: ในขณะที่สร้างเครื่องจักรที่แสดงพฤติกรรมแบบคลาสสิกได้ง่ายการสาธิตพฤติกรรมควอนตัมนั้นต้องการเครื่องที่เย็นและควบคุมได้แม่นยำ เงื่อนไขทางอุณหพลศาสตร์ของระบอบควอนตัมนั้นเข้าถึงได้ยาก ในที่สุดเมื่อเราประสบความสำเร็จในระบบควอนตัมมันก็ยากที่จะแยกมันออกจากสภาพแวดล้อมที่พยายามที่จะตกแต่งมันและทำให้มันคลาสสิกอีกครั้ง

การขยายขีดความสามารถเป็นปัญหาใหญ่ ยิ่งคอมพิวเตอร์ของเรามีขนาดใหญ่เท่าไหร่ก็ยิ่งรักษาควอนตัมได้ยากเท่านั้น ปรากฏการณ์ที่สัญญาว่าจะทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีพลังอย่างแท้จริงเช่นพัวพันต้อง qubits สามารถโต้ตอบกับแต่ละคนในวิธีการควบคุม สถาปัตยกรรมที่ให้การควบคุมนี้ยากแก่วิศวกรและยากที่จะขยาย ไม่มีใครเห็นด้วยกับการออกแบบ!

@pyramids ชี้ให้เห็นว่ากลยุทธ์ที่เราใช้ในการแก้ไขข้อผิดพลาดในเครื่องคลาสสิกมักจะเกี่ยวข้องกับการโคลนข้อมูลซึ่งถูกห้ามโดยทฤษฎีข้อมูลควอนตัม ในขณะที่เรามีกลยุทธ์บางอย่างเพื่อลดข้อผิดพลาดด้วยวิธีควอนตัมที่ฉลาดพวกเขาต้องการที่ qubits นั้นปราศจากเสียงรบกวนอยู่แล้วและเรามีข้อผิดพลาดมากมาย หากเราไม่สามารถปรับปรุงวิศวกรรมของเราให้ผ่านเกณฑ์บางอย่างเราไม่สามารถใช้กลยุทธ์เหล่านี้ได้

คำตอบที่ง่ายกว่า: คอมพิวเตอร์ควอนตัมทั้งหมดเป็นคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกด้วยเช่นกันหากคุณ จำกัด เกตของพวกเขาเป็นประตูคลาสสิคเท่านั้นเช่นซึ่งไม่ใช่เกต ทุกครั้งที่คุณสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมคุณก็สร้างคอมพิวเตอร์คลาสสิคเพื่อให้คุณสามารถพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ได้ว่าการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมอย่างน้อยต้องยากเท่ากับการสร้างคอมพิวเตอร์คลาสสิค$X$

จุดสำคัญอย่างหนึ่งก็คือคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก ดังนั้นอย่างน้อยมันก็ยากที่จะสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเช่นเดียวกับคอมพิวเตอร์คลาสสิค

สำหรับภาพประกอบที่เป็นรูปธรรมมันเป็นความคิดที่คุ้มค่าเกี่ยวกับชุดประตูสากล ในการคำนวณแบบคลาสสิกคุณสามารถสร้างวงจรใด ๆ ที่คุณต้องการผ่านการรวมกันของเกทเพียงชนิดเดียว บ่อยครั้งที่ผู้คนพูดคุยเกี่ยวกับประตู NAND แต่ด้วยเหตุผลนี้จึงเป็นการง่ายกว่าที่จะพูดคุยเกี่ยวกับประตู Toffoli (หรือที่รู้จักกันในชื่อประตูควบคุมที่ไม่ได้ควบคุม) วงจรคลาสสิก (ย้อนกลับ) ทุกชิ้นสามารถเขียนได้ในรูปของ Toffolis ทั้งหมด การคำนวณควอนตัมโดยพลสามารถเขียนเป็นการรวมกันของสองชนิดที่แตกต่างกันของประตู: Toffoli และ Hadamard

สิ่งนี้มีผลทันที เห็นได้ชัดว่าถ้าคุณขอสองสิ่งที่แตกต่างกันซึ่งหนึ่งในนั้นไม่ได้มีอยู่ในฟิสิกส์คลาสสิกนั่นต้องยากกว่าการสร้างเพียงสิ่งเดียวที่มีอยู่ในฟิสิกส์คลาสสิก ยิ่งกว่านั้นการใช้ Hadamard หมายความว่าชุดของสถานะที่เป็นไปได้ที่คุณต้องพิจารณานั้นไม่ใช่ฉากอีกต่อไปดังนั้นคุณจึงไม่สามารถดูสถานะและกำหนดวิธีดำเนินการต่อได้ สิ่งนี้เกี่ยวข้องอย่างยิ่งกับ Toffoli เพราะมันยากที่จะนำไปใช้เป็นผลลัพธ์: ก่อนหน้านี้คุณสามารถวัดอินพุตที่แตกต่างกันได้อย่างปลอดภัยและขึ้นอยู่กับค่าของมัน แต่ถ้าปัจจัยเข้านั้นไม่ใช่มุมฉาก (หรือแม้ว่าจะเป็น แต่ไม่ทราบพื้นฐาน!) คุณไม่สามารถวัดความเสี่ยงได้เพราะคุณจะทำลายรัฐโดยเฉพาะ

ในปี 1996 David DiVincenzo ได้ระบุเกณฑ์สำคัญห้าข้อเพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม:

1. คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะต้องปรับขนาดได้
2. มันจะต้องเป็นไปได้ที่จะเริ่มต้น qubits
3. ต้องการ qubits ที่ดีสถานะควอนตัมไม่สามารถสูญหายได้
4. เราจำเป็นต้องมีประตูควอนตัมที่เป็นสากล
5. เราจำเป็นต้องสามารถวัด qubits ทั้งหมด

เกณฑ์เพิ่มเติมสองข้อ:

6. ความสามารถในการแลกเปลี่ยนความคิดและนิ่ง qubits
7. ความสามารถในการส่ง qubits บินระหว่างสถานที่ห่างไกล

คำอธิบายยาว

ฉันต้องไม่เห็นด้วยกับความคิดที่ว่าทฤษฎีบทที่ไม่มีการโคลนนิ่งทำให้การแก้ไขข้อผิดพลาดด้วยรหัสการทำซ้ำทำได้ยาก ระบุว่าอินพุตของคุณมีให้ในเกณฑ์การคำนวณ (เช่นอินพุตของคุณไม่ใช่การซ้อนทับโดยพลการซึ่งมักจะเป็นกรณีโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อคุณแก้ปัญหาแบบคลาสสิกเช่นอัลกอริทึมของ Schor) คุณสามารถโคลนพวกมันด้วยประตูควบคุม เรียกใช้การคำนวณแบบขนานบนสำเนาทั้งหมดแล้วแก้ไขข้อผิดพลาด เคล็ดลับเดียวคือให้แน่ใจว่าคุณไม่ได้ทำการวัดในระหว่างการแก้ไขข้อผิดพลาด (ยกเว้นอาการที่เป็นไปได้ของโรค) และการทำสิ่งที่คุณต้องทำก็คือใช้ประตูควอนตัมต่อไป

การแก้ไขข้อผิดพลาดสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นไม่ยากกว่าสำหรับคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม ลิเนียริตี้ (Linearity) จะใช้ความยากลำบากที่รับรู้ได้มากที่สุด

ฉันอยากจะพูดถึงว่ามีรูปแบบที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมกว่ารหัสการทำซ้ำ และคุณต้องมี pauli-matrices สองตัวเพื่อสร้างส่วนที่เหลือดังนั้นคุณจำเป็นต้องมีรหัสการทำซ้ำสองประเภทหากคุณกำลังจะไปสู่การไม่มีประสิทธิภาพ แต่เส้นทางการทำซ้ำรหัสแนวคิดง่าย ๆ (หนึ่งสำหรับบิต flips และอีกหนึ่งสำหรับ .

การแก้ไขข้อผิดพลาดของควอนตัมแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มเชิงเส้นในจำนวนของฟิสิคัล qubits ต่อลอจิคัลบิตจะปรับปรุงอัตราความผิดพลาดแบบเอกซ์โปเนนเชียลเช่นเดียวกับในกรณีคลาสสิก

แต่ถึงกระนั้นเรายังไม่มีที่ไหนใกล้ 100 qubits นี่เป็นปัญหาที่แท้จริง เราจำเป็นต้องสามารถกาว qubits กึ่งแม่นยำมากขึ้นด้วยกันก่อนที่จะเริ่มเรื่องนี้

Ultimate Black Box

คอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยนิยามกล่องดำที่ดีที่สุด คุณฟีดในอินพุตและคุณได้รับกระบวนการซึ่งสร้างผลลัพธ์

ความพยายามที่จะเปิดกล่องดำใด ๆ จะส่งผลให้กระบวนการไม่เกิดขึ้น

วิศวกรคนใดจะบอกคุณว่าจะขัดขวางกระบวนการออกแบบใด ๆ แม้แต่ข้อบกพร่องการออกแบบที่เล็กที่สุดก็ใช้เวลาหลายเดือนในการทดลองและข้อผิดพลาดในการติดตาม