Est-ce parce que nous ne savons pas exactement comment créer des ordinateurs quantiques (et comment ils doivent fonctionner), ou savons-nous comment le créer en théorie, mais n'avons pas les outils pour l'exécuter dans la pratique? Est-ce un mélange des deux ci-dessus? D'autres raisons?

Nous savons exactement, en théorie, comment construire un ordinateur quantique. Mais c'est intrinsèquement plus difficile que de construire un ordinateur classique.

Dans un ordinateur classique, vous n'avez pas besoin d'utiliser une seule particule pour coder les bits. Au lieu de cela, vous pourriez dire que rien de moins qu'un milliard d'électrons est un 0 et rien de plus que cela est un 1, et viser, disons, deux milliards d'électrons à coder un 1 normalement. Cela vous rend intrinsèquement tolérant aux pannes: même s'il y a des centaines de millions d'électrons plus ou moins que prévu, vous obtiendrez toujours la classification correcte en tant que 0 numérique ou 1.

Dans un ordinateur quantique, cette astuce n'est pas possible en raison du théorème de non-clonage: vous ne pouvez pas utiliser trivialement plus d'une particule pour coder un qubit (bit quantique). Au lieu de cela, vous devez faire fonctionner toutes vos portes si bien qu'elles ne sont pas seulement précises au niveau d'une seule particule, mais même à une infime fraction de leur action sur une seule particule (au soi-disant seuil de correction d'erreur quantique). C'est beaucoup plus difficile que d'obtenir des portes précises à des centaines de millions d'électrons seulement.

En attendant, nous avons les outils pour, à peine, fabriquer des ordinateurs quantiques avec le niveau de précision requis. Mais personne n'a encore réussi à en faire un gros qui puisse fonctionner avec précision sur peut-être les centaines de milliers de qubits physiques nécessaires pour implémenter une centaine de qubits logiques pour ensuite être indéniablement dans le domaine où l'ordinateur quantique bat ordinateurs classiques à certains problèmes (suprématie quantique).

Il existe de nombreuses raisons, à la fois en théorie et en implémentation, qui rendent les ordinateurs quantiques beaucoup plus difficiles à construire.

Le plus simple pourrait être ceci: bien qu'il soit facile de construire des machines qui présentent un comportement classique, les démonstrations de comportement quantique nécessitent des machines vraiment froides et contrôlées avec précision. Les conditions thermodynamiques du régime quantique sont tout simplement difficiles d'accès. Lorsque nous atteignons enfin un système quantique, il est difficile de le maintenir isolé de l'environnement qui cherche à le décohérer et à le rendre à nouveau classique.

L'évolutivité est un gros problème. Plus notre ordinateur est gros, plus il est difficile de garder le quantum. Les phénomènes qui promettent de rendre les ordinateurs quantiques vraiment puissants, comme l'intrication, nécessitent que les qubits puissent interagir les uns avec les autres de manière contrôlée. Les architectures qui permettent ce contrôle sont difficiles à concevoir et à mettre à l'échelle. Personne n'est d'accord sur un design!

Comme le souligne @pyramids, les stratégies que nous utilisons pour corriger les erreurs dans les machines classiques impliquent généralement le clonage d'informations, ce qui est interdit par la théorie de l'information quantique. Bien que nous ayons certaines stratégies pour atténuer les erreurs de manière quantique intelligente, elles nécessitent que les qubits soient déjà assez silencieux et que nous en ayons beaucoup. Si nous ne pouvons pas améliorer notre ingénierie au-delà d'un certain seuil, nous ne pouvons pas utiliser ces stratégies - elles aggravent les choses!

$X$

Un point important est que les ordinateurs quantiques contiennent des ordinateurs classiques. Il doit donc être au moins aussi difficile de construire un ordinateur quantique que c'est un ordinateur classique.

Pour une illustration concrète, il vaut la peine de penser à des ensembles de portes universelles. Dans le calcul classique, vous pouvez créer n'importe quel circuit que vous souhaitez via la combinaison d'un seul type de porte. Souvent, les gens parlent de la porte NAND, mais pour cet argument, il est plus facile de parler de la porte Toffoli (également connue sous le nom de porte contrôlée-contrôlée-non). Chaque circuit classique (réversible) peut être écrit en termes de tout un tas de Toffolis. Un calcul quantique arbitraire peut être écrit comme une combinaison de deux types de portes différents: le Toffoli et le Hadamard.

Cela a des conséquences immédiates. Évidemment, si vous demandez deux choses différentes, dont l'une n'existe pas en physique classique, cela doit être plus difficile que de simplement créer la seule chose qui existe en physique classique. De plus, l'utilisation du Hadamard signifie que les ensembles d'états possibles que vous devez considérer ne sont plus orthogonaux, vous ne pouvez donc pas simplement regarder l'état et déterminer comment procéder. Ceci est particulièrement pertinent pour le Toffoli, car il devient plus difficile à mettre en œuvre en conséquence: auparavant, vous pouviez mesurer en toute sécurité les différentes entrées et, en fonction de leurs valeurs, faire quelque chose à la sortie. Mais si les entrées ne sont pas orthogonales (ou même si elles le sont, mais dans une base inconnue!), Vous ne pouvez pas risquer de les mesurer car vous détruirez les états, en particulier,

En 1996, David DiVincenzo a énuméré cinq critères clés pour construire un ordinateur quantique:

1. Un ordinateur quantique doit être évolutif,
2. Il doit être possible d'initialiser les qubits,
3. De bons qubits sont nécessaires, l'état quantique ne peut pas être perdu,
4. Nous devons avoir un ensemble universel de portes quantiques,
5. Nous devons être capables de mesurer tous les qubits.

Deux critères supplémentaires:

6. La possibilité d'interconvertir des qubits stationnaires et volants,
7. La capacité de transmettre des qubits volants entre des endroits éloignés.

Explication longue

Je ne suis pas d'accord avec l'idée que le théorème de non-clonage rend la correction d'erreur avec des codes de répétition difficile. Étant donné que vos entrées sont fournies dans la base de calcul (c.-à-d. Que vos entrées ne sont pas des superpositions arbitraires, ce qui est presque toujours le cas, en particulier lorsque vous résolvez un problème classique, par exemple l'algorithme de Schor), vous pouvez les cloner avec des portes contrôlées-Non, exécutez votre calcul en parallèle sur toutes les copies, puis corrigez les erreurs. La seule astuce consiste à vous assurer que vous ne faites pas de mesure pendant la correction d'erreurs (sauf possible du syndrome), et pour ce faire, tout ce que vous avez à faire est de continuer à utiliser des portes quantiques.

La correction d'erreurs pour les ordinateurs quantiques n'est pas beaucoup plus difficile que pour les ordinateurs classiques. La linéarité prend peut de la plupart des difficultés perçues.

Je voudrais également mentionner qu'il existe des schémas beaucoup plus efficaces pour la correction d'erreur quantique que les codes de répétition. Et que vous avez besoin de deux matrices pauli pour générer le reste, vous avez donc besoin de deux types de codes de répétition si vous optez pour la route de code de répétition inefficace, mais conceptuellement simple (une pour les bit-flips et une pour les phase flips) .

La correction d'erreur quantique montre que l'augmentation linéaire du nombre de qubits physiques par qubit logique améliore le taux d'erreur de façon exponentielle, tout comme dans le cas classique.

Pourtant, nous sommes loin de 100 qubits physiques. Tel est le vrai problème. Nous devons être capables de coller beaucoup plus de qubits semi-précis ensemble avant que tout cela commence à avoir de l'importance.

Ultimate Black Box

Un ordinateur quantique est par définition la boîte noire ultime. Vous alimentez une entrée et vous obtenez un processus qui produit une sortie.

Toute tentative d'ouverture de la boîte noire entraînera l'échec du processus.

Tout ingénieur vous dirait que cela gênerait tout processus de conception. Même la plus petite faille de conception prendrait des mois d'essais et d'erreurs pour être détectée.