Каков аргумент, что практические квантовые компьютеры не могут быть построены?

Ответ на другой вопрос упоминает, что

Существуют аргументы в пользу того, что такие машины [«квантовые машины Тьюринга»] даже не могут быть построены ...

Я не уверен, что полностью понимаю проблему, поэтому, возможно, я не задаю правильный вопрос, но вот что я мог бы собрать.

Слайды представлены в лекции (с 2013 года) профессора Гила Калаи (Еврейский университет в Иерусалиме и Йельский университет). Я наблюдал большую часть лекции, и кажется, что он утверждает, что существует барьер для создания отказоустойчивых квантовых компьютеров (FTCQ), и этот барьер, вероятно, заключается в создании логических кубитов из физических компонентов. (отметка времени 26:20):

Похоже, что причиной такого барьера является проблема шума и исправления ошибок. И хотя нынешнее исследование учитывает шум, оно делает это неправильно (это та часть, которую я не понимаю).

Я знаю, что многие люди (например, Скотт Ааронсон) скептически относятся к этому заявлению о невозможности, но я просто пытаюсь лучше понять аргумент:

В чем причина того, что практические квантовые компьютеры не могут быть построены (как представил профессор Гил Калай, и с 2013 года что-то изменилось)?

Если вы намереваетесь понять аргументы Гила Калаи, я рекомендую следующий пост в его блоге: Мой аргумент против квантовых компьютеров: интервью с Катей Москвич в журнале Quanta (и ссылки на него).

Для хорошей меры, я бы также добавил « Вечное движение 21-го века»? (особенно комментарии). Вы также можете увидеть основные моменты в « Моих квантовых дебатах» с Арамом Харроу: временные рамки, нетехнические моменты и воспоминания «Я и мои квантовые дебаты» с Арамом II . Наконец, если вы еще этого не сделали, посмотрите «Скотт Ааронсон», играет ли Бог в кости, или нет .

Во-первых, краткое изложение взгляда Калаи из его статьи «Уведомления» (см. Также «Квантовая компьютерная головоломка @ Уведомления AMS» ):

Понимание квантовых компьютеров при наличии шума требует рассмотрения поведения в разных масштабах. В небольшом масштабе подходят стандартные модели шума середины 90-х годов, а квантовые эволюции и состояния, описываемые ими, проявляют вычислительную мощность очень низкого уровня. Это мелкомасштабное поведение имеет далеко идущие последствия для поведения шумных квантовых систем в больших масштабах. С одной стороны, он не позволяет достичь отправных точек для квантовой отказоустойчивости и квантового превосходства, что делает их обоих невозможными на всех масштабах. С другой стороны, это приводит к новым неявным способам моделирования шума в больших масштабах и к различным предсказаниям поведения шумных квантовых систем.

Во-вторых, недавний аргумент, почему он считает, что классическая коррекция ошибок возможна, а квантовая коррекция ошибок - нет.

В отличие от механизма повторения / большинства, который поддерживается очень примитивной вычислительной мощью, создание кода с квантовой коррекцией ошибок и более простая задача демонстрации квантового превосходства вряд ли будут достигнуты устройствами, которые находятся на очень низком уровне с точки зрения вычислительной сложности.

(В вышеупомянутом разговоре с Арамом Харроу указывается, что если принять непосредственные исходные аргументы Калаи, то даже классическое исправление ошибок будет невозможно).

В этой статье Калай продолжает утверждать, что примитивный квантовый компьютер не сможет исправлять ошибки.

В: Но почему вы не можете просто создать достаточно хороших кубитов, чтобы позволить универсальные квантовые схемы с 50 кубитами?

A: Это позволит очень примитивным устройствам (с точки зрения асимптотического поведения вычислительной сложности) выполнять превосходные вычисления.

Калай также прочитал лекцию ( YouTube ) о том, почему топологические квантовые вычисления не будут работать.

Вопрос: «В чем причина того, что практические квантовые компьютеры не могут быть построены ( как представил профессор Гил Калай , и с 2013 года что-то изменилось)?».

В интервью под названием « Вечное движение XXI века? » Профессор Калай заявляет:

«Для квантовых систем существуют особые препятствия, такие как невозможность делать точные копии квантовых состояний в целом. Тем не менее, большая часть теории исправления ошибок была перенесена, и знаменитая пороговая теорема показывает, что отказоустойчивые квантовые вычисления (FTQC) возможно, если выполняются определенные условия. Наиболее подчеркнутое условие устанавливает порог для абсолютной частоты ошибок, который все еще на порядок жестче, чем то, что достижимо в современной технологии, но достижимо. Однако здесь возникает вопрос: ошибки имеют достаточную независимость для работы этих схем или корреляции, ограниченные тем, что они могут обработать ".

В более ранней статье « Квантовые компьютеры: распространение шума и модели состязательного шума » он утверждает:

Страница 2: «Возможность создания вычислительных квантовых компьютеров является одной из самых увлекательных научных проблем нашего времени. Основное беспокойство в связи с осуществимостью квантово-компьютерных систем заключается в том, что квантовые системы по своей сути шумные. Теория квантовой коррекции ошибок и отказоустойчивого квантового компьютера Вычисления (FTQC) обеспечивают сильную поддержку возможности построения квантовых компьютеров. В этой статье мы обсудим модели состязательных шумов, которые могут провалиться при квантовых вычислениях. В этой статье представлена ​​критика исправления квантовых ошибок и скептицизма по поводу осуществимости квантовых компьютеров ».

Стр. 19: «Следовательно, главная проблема заключается в понимании и описании операций со свежим (или бесконечно малым) шумом. Рассматриваемые здесь состязательные модели следует рассматривать как модели для нового шума. Но поведение накопительных ошибок в квантовых цепях, которые допускают распространение ошибок это своего рода «образец для подражания» для наших моделей свежего шума.

Общая картина FTQC утверждает:

• Отказоустойчивость сработает, если мы сможем уменьшить количество новых ошибок гейта / кубита ниже определенного порогового значения. В этом случае распространение ошибки будет подавлено.

Что мы предлагаем это:

• Отказоустойчивость не будет работать, потому что общая ошибка будет вести себя как накопленные ошибки для стандартного распространения ошибок (для цепей, которые допускают распространение ошибок), хотя не обязательно из-за распространения ошибок.

Поэтому для надлежащего моделирования шумовых квантовых компьютеров новые ошибки должны вести себя как накопленные ошибки для стандартного распространения ошибок (для схем, которые допускают распространение ошибок).

(В результате мы не сможем избежать распространения ошибок.) ".

Страница 23: «Гипотеза Б: В любом шумном квантовом компьютере в сильно запутанном состоянии будет сильный эффект синхронизации ошибок.

На этом этапе мы должны неофициально объяснить, почему эти предположения, если они верны, наносят ущерб. Мы начнем с гипотезы B. Состояния квантовых компьютеров, которые применяют коды с исправлением ошибок, необходимые для FTQC, сильно запутаны (любым формальным определением «высокого запутывания»). Предположение B будет подразумевать, что на каждом компьютерном цикле будет небольшая, но существенная вероятность того, что число неисправных кубитов будет намного больше, чем пороговое значение. Это противоречит стандартным предположениям о том, что вероятность того, что число неисправных кубитов будет намного больше порога, экспоненциально уменьшается с увеличением количества кубитов. Имея небольшую, но существенную вероятность того, что большое количество кубитов окажется неисправным, достаточно, чтобы потерпеть неудачу в кодах квантовой коррекции ошибок ».

См. Также его статью: « Как работают квантовые компьютеры: квантовые коды, корреляции в физических системах и накопление шума ».

Многие люди возмущены, и многое изменилось, см. Эту страницу Википедии: « Квантовая пороговая теорема » или эту статью « Экспериментальные квантовые вычисления на топологически кодированном кубите », есть даже эта статья по квантовой метрологии, где авторы утверждают, что: «Использование когерентности и запутанности как метрологических квантовых ресурсов позволяет повысить точность измерения от предельного шума или квантового предела до предела Гейзенберга ". в их статье: « Квантовая метрология с трансмонтритом » с использованием дополнительных измерений.

Я не могу комментировать специфику его аргументов, потому что не претендую на полное их понимание. Но в целом мы должны задаться вопросом, будет ли квантовая механика продолжать действовать для многих систем кубитов и состояний, которые находятся глубоко в гильбертовом пространстве.

Физика - это наблюдение за природой, построение теорий, подтверждение теорий, а затем обнаружение, где они разрушаются. Затем цикл начинается снова.

У нас никогда не было квантовых систем, таких чистых, хорошо управляемых и больших, как современные квантовые процессоры. Устройства, способные обеспечить превосходство, выходят за рамки нашего нынешнего экспериментального опыта. Поэтому справедливо задаться вопросом, может ли этот неуправляемый угол QM быть там, где все это ломается. Возможно, появятся новые «пост-квантовые» эффекты, которые эффективно действуют как неисправимые формы шума.

Конечно, большинство из нас так не считает. И мы надеемся, что не будет, или не будет квантовых компьютеров. Тем не менее, мы должны быть открыты для возможности, что мы не правы.

И меньшинство, которое думает, что квантовые вычисления потерпят неудачу, должно быть открыто к идее, что они также неправы. Надеемся, что они не станут новым брендом «отрицателей нарушения Белла».