Jaki jest argument, że nie można zbudować praktycznych komputerów kwantowych?

Odpowiedź na inne pytanie wspomina o tym

Istnieją argumenty sugerujące, że takich maszyn [„kwantowych maszyn Turinga”] nie można nawet zbudować ...

Nie jestem pewien, czy w pełni rozumiem problem, więc może nie zadaję właściwego pytania, ale oto, co mógłbym zebrać.

Slajdy są prezentowane w wykładzie (od 2013 r.) Przez profesora Gila Kalai (Uniwersytet Hebrajski w Jerozolimie i Uniwersytet Yale). Obejrzałem większość wykładu i wydaje się, że twierdzi on, iż istnieje bariera w tworzeniu odpornych na błędy komputerów kwantowych (FTCQ), a bariera ta prawdopodobnie polega na tworzeniu logicznych kubitów z elementów fizycznych. (znacznik czasu 26:20):

Wygląda na to, że przyczyną takiej bariery jest problem hałasu i korekcji błędów. I chociaż obecne badania uwzględniają hałas, nie robi to we właściwy sposób (tej części nie rozumiem).

Wiem, że wiele osób (np. Scott Aaronson) jest sceptycznych wobec tego twierdzenia o niemożliwości, ale staram się tylko lepiej zrozumieć argument:

Jaki jest powód sugerowania, że ​​nie można zbudować praktycznych komputerów kwantowych (jak przedstawił to profesor Gil Kalai i czy coś się zmieniło od 2013 r.)?

Jeśli twoim celem jest zrozumienie argumentów Gila Kalai, polecam jego następujący post na blogu: Mój argument przeciwko komputerom kwantowym: wywiad z Katią Moskvitch w Quanta Magazine (i zawarte w nim linki).

Na dokładkę wrzuciłbym także Perpetual Motion of the 21st Century? (szczególnie komentarze). Możesz także zobaczyć najważniejsze informacje w My Quantum Debate with Aram Harrow: Oś czasu, Najważniejsze informacje nietechniczne i Retrospekcje I oraz My Quantum Debate with Aram II . Na koniec, jeśli jeszcze tego nie zrobiłeś, zobacz Scott Aaronson's Czy Bóg gra w kości, ja też .

Po pierwsze, krótkie podsumowanie poglądu Kalai z jego artykułu Notices (patrz także The Quantum Computer Puzzle @ Notices of AMS ):

Zrozumienie komputerów kwantowych w obecności hałasu wymaga rozważenia zachowania w różnych skalach. W małej skali odpowiednie są standardowe modele hałasu z połowy lat 90., a ewolucje kwantowe i opisane przez nich stany wykazują bardzo niską moc obliczeniową. To zachowanie na małą skalę ma daleko idące konsekwencje dla zachowania głośnych układów kwantowych na większą skalę. Z jednej strony nie pozwala on na osiągnięcie punktów wyjścia dla kwantowej tolerancji na uszkodzenia i kwantowej supremacji, co czyni je niemożliwymi we wszystkich skalach. Z drugiej strony prowadzi to do nowych ukrytych sposobów modelowania hałasu w większych skalach i do różnych prognoz dotyczących zachowania się głośnych układów kwantowych.

Po drugie, ostatni argument przemawiający za tym, dlaczego uważa klasyczną korekcję błędów za możliwy, ale kwantowa korekcja błędów nie jest możliwa.

W przeciwieństwie do mechanizmu powtarzania / większości, który jest wspierany przez bardzo prymitywną moc obliczeniową, stworzenie kodu korygującego błędy kwantowe i łatwiejsze zadanie wykazania supremacji kwantowej raczej nie zostanie osiągnięte przez urządzenia o bardzo niskim poziomie pod względem złożoności obliczeniowej.

(W wyżej wspomnianej rozmowie z Aramem Harrowem zaznaczono, że gdyby przyjąć bezpośrednie argumenty Kalai, to nawet klasyczna korekta błędów nie byłaby możliwa).

W poście Kalai dalej twierdzi, że prymitywny komputer kwantowy nie byłby w stanie dokonać korekcji błędów.

P: Ale dlaczego nie możesz po prostu stworzyć wystarczająco dobrych kubitów, aby umożliwić uniwersalne obwody kwantowe z 50 kubitami?

Odp .: Pozwoli to bardzo prymitywnym urządzeniom (pod względem asymptotycznego zachowania złożoności obliczeniowej) na wykonywanie lepszych obliczeń.

Kalai wygłosił także wykład ( YouTube ) na temat tego, dlaczego topologiczne obliczenia kwantowe nie działają.

P: „Jaki jest powód sugerowania, że ​​nie można zbudować praktycznych komputerów kwantowych ( jak przedstawił to profesor Gil Kalai i nic się nie zmieniło od 2013 r.)?”.

W wywiadzie zatytułowanym „ Perpetual Motion of the 21st Century? ” Prof. Kalai stwierdza:

„W przypadku układów kwantowych istnieją szczególne przeszkody, takie jak niemożność wykonania dokładnych kopii stanów kwantowych w ogóle. Niemniej jednak większość teorii korekcji błędów została przeniesiona, a słynne twierdzenie o progu pokazuje, że obliczenia kwantowe odporne na uszkodzenia (FTQC) jest możliwe, jeśli zostaną spełnione określone warunki. Najbardziej podkreślony warunek ustanawia próg dla bezwzględnej stopy błędów, o jeden rząd wielkości bardziej rygorystyczny niż to, co osiąga obecna technologia, ale jest możliwy do rozwiązania. błędy mają wystarczającą niezależność, aby działały te systemy, lub korelacje ograniczone do tego, co potrafią obsłużyć. ”.

We wcześniejszej pracy zatytułowanej „ Komputery kwantowe: propagacja hałasu i modele hałasu przeciwnego ” stwierdza:

Strona 2: „Wykonalność lepszych obliczeniowo komputerów kwantowych jest jednym z najbardziej fascynujących problemów naukowych naszych czasów. Głównym problemem związanym z wykonalnością komputerów kwantowych jest to, że systemy kwantowe są z natury hałaśliwe. Teoria kwantowej korekcji błędów i kwant tolerancji na uszkodzenia obliczenia (FTQC) zapewniają silne wsparcie dla możliwości budowania komputerów kwantowych. W tym artykule omówimy modele szumów przeciwnych, które mogą zawieść obliczenia kwantowe. Artykuł ten przedstawia krytykę kwantowej korekcji błędów i sceptycyzm co do wykonalności komputerów kwantowych. ”.

Strona 19: „Głównym problemem jest zatem zrozumienie i opisanie operacji szumu świeżego (lub nieskończenie małego). Modele przeciwne, które rozważamy tutaj, należy traktować jako modele świeżego szumu. Ale zachowanie błędów akumulacyjnych w obwodach kwantowych, które umożliwiają propagację błędów jest swego rodzaju „wzorem do naśladowania” dla naszych modeli świeżego hałasu.

Wspólny obraz FTQC zapewnia:

• Odporność na awarie zadziała, jeśli będziemy w stanie zredukować błędy świeżych bramek / kubitów poniżej pewnego progu. W takim przypadku propagacja błędów zostanie wyłączona.

Proponujemy:

• Tolerancja błędu nie będzie działać, ponieważ ogólny błąd będzie zachowywał się jak skumulowane błędy dla standardowej propagacji błędów (dla obwodów, które umożliwiają propagację błędów), choć niekoniecznie z powodu propagacji błędów.

Dlatego dla odpowiedniego modelowania hałaśliwych komputerów kwantowych nowe błędy powinny zachowywać się jak skumulowane błędy dla standardowej propagacji błędów (dla obwodów, które umożliwiają propagację błędów).

(W rezultacie ostatecznie nie będziemy w stanie uniknąć propagacji błędów.) ”.

Page 23: „Hipoteza B: W każdym hałaśliwym komputerze kwantowym w stanie silnego splątania wystąpi silny efekt synchronizacji błędów.

Już na tym etapie powinniśmy nieformalnie wyjaśnić, dlaczego te przypuszczenia, jeśli są prawdziwe, są szkodliwe. Zaczynamy od hipotezy B. Stany komputerów kwantowych, które stosują kody korekcji błędów potrzebne do FTQC, są wysoce splątane (przez dowolną formalną definicję „wysokiego splątania”). Przypuszczenie B będzie oznaczało, że w każdym cyklu komputerowym będzie małe, ale znaczące prawdopodobieństwo, że liczba wadliwych kubitów będzie znacznie większa niż próg. Jest to w przeciwieństwie do standardowych założeń, że prawdopodobieństwo, że liczba wadliwych kubitów będzie znacznie większa niż próg, maleje wykładniczo wraz z liczbą kubitów. Wystarczające małe, ale znaczne prawdopodobieństwo, że duża liczba kubitów będzie wadliwych, wystarczy, aby zawieść kwantowe kody korekcji błędów. ”.

Zobacz także jego artykuł: „ Jak zawodzą komputery kwantowe: kody kwantowe, korelacje w układach fizycznych i akumulacja hałasu ”.

Wiele osób rozczarowuje, a wiele się zmieniło, zobacz tę stronę Wikipedii: „ Twierdzenie o progu kwantowym ” lub ten artykuł „ Eksperymentalne obliczenia kwantowe na kubitowo zakodowanym topologicznie ”, jest nawet ten artykuł na temat metrologii kwantowej, w którym autorzy twierdzą, że: „Wykorzystanie koherencji i splątania, ponieważ metrologiczne zasoby kwantowe pozwalają poprawić precyzję pomiaru od szumu strzału lub granicy kwantowej do granicy Heisenberga. ” w swoim artykule: „ Metrologia kwantowa z qutritem transmonowym ” poprzez wykorzystanie dodatkowych wymiarów.

Nie mogę komentować szczegółów jego argumentów, ponieważ nie twierdzę, że je w pełni rozumiem. Ale ogólnie musimy się zastanawiać, czy mechanika kwantowa będzie nadal obowiązywać w wielu systemach kubitowych i stanach, które znajdują się głęboko w przestrzeni Hilberta.

Fizyka polega na obserwacji przyrody, budowaniu teorii, potwierdzaniu teorii, a następnie znajdowaniu, gdzie się rozkładają. Następnie cykl zaczyna się od nowa.

Nigdy nie mieliśmy układów kwantowych tak czystych, dobrze kontrolowanych i dużych jak obecne procesory kwantowe. Urządzenia zdolne do osiągnięcia „supremacji” są jeszcze dalej niż nasze obecne doświadczenia eksperymentalne. Dlatego warto zastanawiać się, czy ten nieproblemowy zakątek QM może być miejscem, w którym wszystko się psuje. Być może pojawią się nowe efekty „postkwantowe”, które skutecznie działają jako nie korygowane formy hałasu.

Oczywiście większość z nas nie sądzi. Mamy nadzieję, że tak się nie stanie, albo nie będzie komputerów kwantowych. Niemniej jednak musimy być otwarci na możliwość, że się mylimy.

A mniejszość, która uważa, że ​​obliczenia kwantowe zawiodą, powinna być otwarta na myśl, że też się mylą. Miejmy nadzieję, że nie okażą się nową marką „Zaprzeczających naruszeniom prawa Bell”.