Это потому, что мы не знаем точно, как создавать квантовые компьютеры (и как они должны работать), или мы знаем, как создать их теоретически, но у нас нет инструментов для их практического выполнения на практике? Это смесь двух вышеупомянутых? Любые другие причины?

Теоретически мы точно знаем, как построить квантовый компьютер. Но это по сути сложнее, чем построить классический компьютер.

В классическом компьютере вам не нужно использовать одну частицу для кодирования битов. Вместо этого вы можете сказать, что все, что меньше миллиарда электронов, равно 0, а что-то большее, чем это, равно 1, и стремиться, скажем, к двум миллиардам электронов, чтобы нормально кодировать 1. Это делает вас по своей природе отказоустойчивым: даже если сотен миллионов электронов больше или меньше ожидаемого, вы все равно получите правильную классификацию как цифровой 0 или 1.

В квантовом компьютере этот трюк невозможен из-за теоремы о не клонировании: вы не можете тривиально использовать более одной частицы для кодирования кубита (квантового бита). Вместо этого вы должны сделать так, чтобы все ваши врата работали так хорошо, чтобы они были не просто точны до уровня отдельной частицы, но даже до крошечной доли того, насколько они действуют на одну частицу (до так называемого порога коррекции квантовых ошибок). Это гораздо сложнее, чем получить точные данные о затворах с точностью до сотен миллионов электронов.

Между тем, у нас есть инструменты для создания квантовых компьютеров с требуемым уровнем точности. Но пока что никому не удалось создать большой, то есть такой, который может точно оперировать с сотнями тысяч физических кубитов, необходимых для реализации примерно сотни логических кубитов, чтобы, несомненно, оказаться в сфере, где бьется квантовый компьютер. классические компьютеры в избранных задачах (квантовое превосходство).

Есть много причин, как в теории, так и в реализации, которые делают квантовые компьютеры гораздо сложнее создавать.

Самым простым может быть следующее: хотя машины, демонстрирующие классическое поведение, легко построить, для демонстрации квантового поведения требуются действительно холодные и точно точно управляемые машины. Термодинамические условия квантового режима просто труднодоступны. Когда мы наконец достигаем квантовой системы, трудно сохранить ее изолированной от среды, которая стремится декорировать ее и снова сделать ее классической.

Масштабируемость является большой проблемой. Чем больше наш компьютер, тем сложнее сохранить квантовость. Явления, которые обещают сделать квантовые компьютеры действительно мощными, такие как запутывание, требуют, чтобы кубиты могли взаимодействовать друг с другом контролируемым образом. Архитектуры, которые позволяют этот контроль, сложны для разработки и масштабируемы. Никто не согласен с дизайном!

Как указывает @pyramids, стратегии, которые мы используем для исправления ошибок в классических машинах, обычно включают в себя клонирование информации, что запрещено квантовой теорией информации. Несмотря на то, что у нас есть несколько стратегий для смягчения ошибок умными квантовыми способами, они требуют, чтобы кубиты уже были практически свободны от шума и чтобы их было много. Если мы не сможем улучшить нашу конструкцию за порогом, мы не сможем использовать эти стратегии - они ухудшают ситуацию!

$X$

Одним из важных моментов является то, что квантовые компьютеры содержат классические компьютеры. Поэтому построить квантовый компьютер должно быть как минимум так же сложно, как и классическому компьютеру.

Для конкретной иллюстрации стоит подумать об универсальных наборах ворот. В классических вычислениях вы можете создать любую схему по вашему желанию с помощью комбинации только одного типа гейта. Часто люди говорят о воротах NAND, но ради этого аргумента легче говорить о воротах Toffoli (также известных как ворота контролируемый-контролируемый-не-). Любая классическая (обратимая) схема может быть записана в терминах целой связки Тофолиса. Произвольное квантовое вычисление может быть записано как комбинация двух разных типов ворот: тофоли и адамара.

Это имеет непосредственные последствия. Очевидно, что если вы просите две разные вещи, одна из которых не существует в классической физике, это должно быть сложнее, чем просто сделать одну вещь, которая существует в классической физике. Более того, использование Адамара означает, что наборы возможных состояний, которые вы должны рассмотреть, больше не являются ортогональными, поэтому вы не можете просто посмотреть на состояние и определить, как действовать дальше. Это особенно относится к Toffoli, поскольку в результате становится все труднее реализовать: раньше вы могли безопасно измерять различные входные данные и, в зависимости от их значений, что-то делать с выходными данными. Но если входные данные не являются ортогональными (или даже если они есть, но на неизвестной основе!), Вы не можете рискнуть измерить их, потому что вы уничтожите состояния, в частности,

В 1996 году Дэвид Ди Винченцо перечислил пять ключевых критериев построения квантового компьютера:

1. Квантовый компьютер должен быть масштабируемым,
2. Должна быть возможность инициализировать кубиты,
3. Нужны хорошие кубиты, квантовое состояние не может быть потеряно,
4. Нам нужно иметь универсальный набор квантовых ворот,
5. Нам нужно уметь измерять все кубиты.

Два дополнительных критерия:

6. Возможность взаимного преобразования стационарных и летающих кубитов,
7. Способность передавать летающие кубиты между удаленными локациями.

Длинное объяснение

Я должен не согласиться с идеей, что теорема об отсутствии клонирования затрудняет исправление ошибок с кодами повторения. Учитывая, что ваши входные данные предоставляются в вычислительном базисе (т. Е. Ваши входные данные не являются произвольными суперпозициями, что почти всегда имеет место, особенно когда вы решаете классическую задачу, например алгоритм Шора), вы можете клонировать их с помощью управляемых, а не вентилей, запустите ваши вычисления параллельно на всех копиях, а затем исправьте ошибки. Единственная хитрость - убедиться, что вы не проводите измерения во время исправления ошибок (за исключением возможного синдрома), и для этого все, что вам нужно сделать, это продолжать использовать квантовые врата.

Исправление ошибок для квантовых компьютеров не намного сложнее, чем для классических компьютеров. Линейность принимает большинство воспринимаемых трудностей.

Я также хотел бы отметить, что существует гораздо более эффективные схемы для квантовой коррекции ошибок, чем коды повторения. И что вам нужны две паули-матрицы для генерации остальных, поэтому вам нужны два типа кодов повторения, если вы собираетесь пойти по неэффективному, но концептуально простому маршруту с кодом повторения (один для переворота битов и один для переворота фазы) ,

Квантовая коррекция ошибок показывает, что линейное увеличение числа физических кубитов на логический кубит экспоненциально улучшает частоту ошибок, как и в классическом случае.

Тем не менее, мы далеки от 100 физических кубитов. Это настоящая проблема. Мы должны быть в состоянии склеить гораздо больше полуточных кубитов, прежде чем все это начнет иметь значение.

Ultimate Black Box

Квантовый компьютер по определению является черным ящиком. Вы вводите данные и получаете процесс, который производит результаты.

Любая попытка открыть черный ящик приведет к тому, что процесс не произойдет.

Любой инженер скажет вам, что это помешает любому процессу проектирования. Даже самый маленький недостаток дизайна может занять месяцы проб и ошибок, чтобы отследить.