Quel est l'argument selon lequel les ordinateurs quantiques pratiques ne peuvent pas être construits?

Une réponse à une autre question mentionne que

Il y a des arguments qui suggèrent que de telles machines ["machines quantiques de Turing"] ne peuvent même pas être construites ...

Je ne suis pas sûr de bien comprendre le problème, alors peut-être que je ne pose pas la bonne question, mais voici ce que je pourrais rassembler.

Les diapositives sont présentées dans une conférence (à partir de 2013) par le professeur Gil Kalai (Université hébraïque de Jérusalem et Université de Yale). J'ai regardé la majeure partie de la conférence, et il semble que son affirmation est qu'il existe un obstacle à la création d'ordinateurs quantiques tolérants aux pannes (FTCQ), et cet obstacle réside probablement dans la création de qubits logiques à partir de composants physiques. (horodatage 26:20):

Il semble que la raison d'une telle barrière soit due au problème du bruit et de la correction des erreurs. Et même si les recherches actuelles prennent en compte le bruit, elles ne le font pas de la bonne manière (c'est la partie que je ne comprends pas).

Je sais que beaucoup de gens (par exemple, Scott Aaronson) sont sceptiques quant à cette prétention d'impossibilité, mais j'essaie simplement de mieux comprendre l'argument:

Quelle est la raison de suggérer que des ordinateurs quantiques pratiques ne peuvent pas être construits (comme présenté par le professeur Gil Kalai, et que quelque chose a changé depuis 2013)?

Si votre intention est de comprendre les arguments de Gil Kalai, je recommande le blog suivant: My Argument Against Quantum Computers: An Interview with Katia Moskvitch on Quanta Magazine (and the links there).

Pour faire bonne mesure, je lancerais également le mouvement perpétuel du 21e siècle? (surtout les commentaires). Vous pouvez également voir les points saillants dans Mon débat quantique avec Aram Harrow: Chronologie, Faits saillants non techniques et Flashbacks I et Mon débat quantique avec Aram II . Enfin, si vous ne l'avez pas déjà fait, voyez si oui ou non Dieu joue aux dés de Scott Aaronson .

Tout d'abord, un bref résumé du point de vue de Kalai dans son article Notices (voir aussi The Quantum Computer Puzzle @ Notices of the AMS ):

Pour comprendre les ordinateurs quantiques en présence de bruit, il faut tenir compte du comportement à différentes échelles. À petite échelle, les modèles standard de bruit du milieu des années 90 conviennent, et les évolutions quantiques et les états qu'ils décrivent manifestent une puissance de calcul de très bas niveau. Ce comportement à petite échelle a des conséquences importantes pour le comportement des systèmes quantiques bruyants à plus grande échelle. D'une part, il ne permet pas d'atteindre les points de départ de la tolérance quantique aux fautes et de la suprématie quantique, ce qui les rend tous les deux impossibles à toutes les échelles. D'autre part, elle conduit à de nouvelles façons implicites de modéliser le bruit à plus grande échelle et à diverses prédictions sur le comportement des systèmes quantiques bruyants.

Deuxièmement, un argument récent pour expliquer pourquoi il pense que la correction d'erreur classique est possible mais pas la correction d'erreur quantique.

Contrairement au mécanisme de répétition / majorité qui est soutenu par une puissance de calcul très primitive, la création d'un code de correction d'erreurs quantiques et la tâche plus facile de démontrer la suprématie quantique ne sont pas susceptibles d'être accomplies par des appareils de très bas niveau en termes de complexité de calcul.

(Dans la conversation susmentionnée avec Aram Harrow, il est souligné que si l'on devait prendre directement les arguments initiaux de Kalai, même une correction d'erreur classique ne serait pas possible.)

Dans la publication, Kalai poursuit en affirmant qu'un ordinateur quantique primitif ne serait pas en mesure de corriger les erreurs.

Q: Mais pourquoi ne pouvez-vous pas simplement créer des qubits suffisamment bons pour permettre des circuits quantiques universels avec 50 qubits?

R: Cela permettra à des dispositifs très primitifs (en termes de comportement asymptotique de la complexité de calcul) d'effectuer un calcul supérieur.

Kalai a également donné une conférence ( YouTube ) sur les raisons pour lesquelles l'informatique quantique topologique ne fonctionnerait pas.

Q: "Quelle est la raison de suggérer que des ordinateurs quantiques pratiques ne peuvent pas être construits ( comme présenté par le professeur Gil Kalai , et que quelque chose a changé depuis 2013)?".

Dans une interview intitulée " Mouvement perpétuel du 21e siècle? ", Le professeur Kalai déclare:

"Pour les systèmes quantiques, il existe des obstacles particuliers, tels que l'impossibilité de faire des copies exactes des états quantiques en général. Néanmoins, une grande partie de la théorie de la correction d'erreurs a été reportée, et le célèbre théorème de seuil montre que le calcul quantique tolérant aux pannes (FTQC) est possible si certaines conditions sont remplies. La condition la plus soulignée fixe un seuil pour le taux d'erreur absolu, un ordre de grandeur encore plus strict que ce que la technologie actuelle permet mais accessible. Une question soulevée ici, cependant, est de savoir si les erreurs ont une indépendance suffisante pour que ces régimes fonctionnent ou des corrélations limitées à ce qu'elles peuvent gérer. ".

Dans un article antérieur de son intitulé " Ordinateurs quantiques: propagation du bruit et modèles de bruit contradictoire ", il déclare:

Page 2: "La faisabilité d'ordinateurs quantiques supérieurs sur le plan informatique est l'un des problèmes scientifiques les plus fascinants de notre époque. La principale préoccupation concernant la faisabilité des ordinateurs quantiques est que les systèmes quantiques sont intrinsèquement bruyants. La théorie de la correction d'erreurs quantiques et du quantum tolérant aux pannes (FTQC) fournit un solide soutien à la possibilité de construire des ordinateurs quantiques. Dans cet article, nous discuterons des modèles de bruit contradictoires qui peuvent échouer dans le calcul quantique. Cet article présente une critique de la correction d'erreur quantique et du scepticisme sur la faisabilité des ordinateurs quantiques. ".

Page 19: "Le problème principal est donc de comprendre et de décrire les opérations de bruit frais (ou infinitésimal). Les modèles contradictoires que nous considérons ici doivent être considérés comme des modèles de bruit frais. Mais le comportement des erreurs d'accumulation dans les circuits quantiques qui permettent la propagation des erreurs est en quelque sorte un «modèle» pour nos modèles de bruit frais.

L'image commune de FTQC affirme:

• La tolérance aux pannes fonctionnera si nous sommes en mesure de réduire les nouvelles erreurs de porte / qubit en dessous d'un certain seuil. Dans ce cas, la propagation des erreurs sera supprimée.

Ce que nous proposons c'est:

• La tolérance aux pannes ne fonctionnera pas car l'erreur globale se comportera comme des erreurs accumulées pour la propagation d'erreur standard (pour les circuits qui permettent la propagation d'erreur), mais pas nécessairement à cause de la propagation d'erreur.

Par conséquent, pour une modélisation appropriée des ordinateurs quantiques bruyants, les nouvelles erreurs devraient se comporter comme des erreurs accumulées pour la propagation d'erreurs standard (pour les circuits qui permettent la propagation d'erreurs).

(En conséquence, nous ne pourrons finalement pas éviter la propagation des erreurs.) ".

Page 23: "Conjecture B: Dans tout ordinateur quantique bruyant dans un état fortement intriqué, il y aura un fort effet de synchronisation des erreurs.

Nous devons expliquer de manière informelle déjà à ce stade pourquoi ces conjectures, si elles sont vraies, sont dommageables. Nous commençons par la conjecture B. Les états des ordinateurs quantiques qui appliquent les codes de correction d'erreurs nécessaires pour FTQC sont fortement enchevêtrés (par toute définition formelle de «enchevêtrement élevé»). La conjecture B impliquera qu'à chaque cycle informatique, il y aura une probabilité faible mais substantielle que le nombre de qubits défectueux sera beaucoup plus grand que le seuil. Cela contraste avec les hypothèses standard selon lesquelles la probabilité que le nombre de qubits défectueux soit beaucoup plus grand que le seuil diminue de façon exponentielle avec le nombre de qubits. Avoir une faible mais substantielle probabilité qu'un grand nombre de qubits soit défectueux suffit à faire échouer les codes de correction d'erreur quantique. ".

Voir aussi son article: " Comment les ordinateurs quantiques échouent: codes quantiques, corrélations dans les systèmes physiques et accumulation de bruit ".

Beaucoup de gens sont mécontents, et beaucoup de choses ont changé, voir cette page Wikipedia: " Théorème du seuil quantique ", ou cet article " Calculs quantiques expérimentaux sur un Qubit codé topologiquement ", il y a même cet article sur la métrologie quantique où les auteurs affirment que: "Faire usage de cohérence et d'enchevêtrement en tant que ressources quantiques métrologiques permet d'améliorer la précision de mesure de la limite de bruit de tir ou quantique à la limite de Heisenberg. " dans leur article: " La métrologie quantique avec un quitron de transmon " en utilisant des dimensions supplémentaires.

Je ne peux pas commenter les détails de ses arguments, car je ne prétends pas les comprendre pleinement. Mais en général, nous devons nous demander si la mécanique quantique continuera d'être valable pour de nombreux systèmes et états qubit profonds de l'espace de Hilbert.

La physique consiste à observer la nature, à construire des théories, à confirmer les théories, puis à trouver où elles se décomposent. Puis le cycle recommence.

Nous n'avons jamais eu de systèmes quantiques aussi propres, bien contrôlés et volumineux que les processeurs quantiques actuels. Les appareils capables de réaliser la «suprématie» vont encore plus loin que notre expérience expérimentale actuelle. Il est donc valide de se demander si ce coin non testé de QM pourrait être là où tout se décompose. Peut-être de nouveaux effets «post-quantiques» apparaîtront, qui agissent effectivement comme des formes de bruit non corrigibles.

Bien sûr, la plupart d'entre nous ne le pensent pas. Et nous espérons que non, ou il n'y aura pas d'ordinateurs quantiques. Néanmoins, nous devons être ouverts à la possibilité de nous tromper.

Et la minorité qui pense que l'informatique quantique échouera devrait également être ouverte à l'idée qu'ils ont tort. Espérons qu'ils ne deviendront pas la nouvelle marque des «négationnistes de la violation de Bell».