¿Cuál es el argumento de que no se pueden construir computadoras cuánticas prácticas?

Una respuesta a otra pregunta menciona que

Hay argumentos que sugieren que tales máquinas ["máquinas cuánticas de Turing"] ni siquiera pueden construirse ...

No estoy seguro de entender completamente el problema, así que tal vez no estoy haciendo la pregunta correcta, pero esto es lo que podría reunir.

Las diapositivas se presentan en una conferencia (desde 2013) por el profesor Gil Kalai (Universidad Hebrea de Jerusalén y Universidad de Yale). Observé la mayor parte de la conferencia, y parece que su afirmación es que hay una barrera para crear computadoras cuánticas tolerantes a fallas (FTCQ), y esta barrera probablemente radica en la creación de qubits lógicos a partir de componentes físicos. (marca de tiempo 26:20):

Parece que la razón de tal barrera se debe al problema del ruido y la corrección de errores. Y aunque la investigación actual tiene en cuenta el ruido, no lo hace de la manera correcta (esta es la parte que no entiendo).

Sé que muchas personas (por ejemplo, Scott Aaronson) son escépticas de esta afirmación de imposibilidad, pero solo estoy tratando de entender mejor el argumento:

¿Cuál es la razón para sugerir que no se pueden construir computadoras cuánticas prácticas (como lo presentó el profesor Gil Kalai, y ha cambiado algo desde 2013)?

Si su intención es comprender los argumentos de Gil Kalai, le recomiendo la siguiente publicación en su blog: My Argument Against Quantum Computers: Una entrevista con Katia Moskvitch en la revista Quanta (y los enlaces en ella).

En buena medida, ¿también lanzaría Perpetual Motion of The 21st Century? (especialmente los comentarios). También puede ver los aspectos más destacados en My Quantum Debate with Aram Harrow: Timeline, Non-Technical Highlights, and Flashbacks I and My Quantum Debate with Aram II . Finalmente, si aún no lo ha hecho, vea a Scott Aaronson Si Dios juega o no a los dados, lo hago .

Primero, un breve resumen de la visión de Kalai de su artículo de Avisos (ver también The Quantum Computer Puzzle @ Notices of the AMS ):

Comprender las computadoras cuánticas en presencia de ruido requiere considerar el comportamiento a diferentes escalas. En pequeña escala, los modelos estándar de ruido de mediados de los 90 son adecuados, y las evoluciones cuánticas y los estados descritos por ellos manifiestan una potencia computacional de muy bajo nivel. Este comportamiento a pequeña escala tiene consecuencias de largo alcance para el comportamiento de sistemas cuánticos ruidosos a escalas más grandes. Por un lado, no permite alcanzar los puntos de partida para la tolerancia cuántica de fallas y la supremacía cuántica, lo que hace que ambos sean imposibles en todas las escalas. Por otro lado, conduce a nuevas formas implícitas para modelar el ruido a escalas más grandes y a varias predicciones sobre el comportamiento de los sistemas cuánticos ruidosos.

En segundo lugar, un argumento reciente de por qué cree que la corrección de errores clásica es posible, pero la corrección de errores cuánticos no.

A diferencia del mecanismo de repetición / mayoría que es soportado por un poder computacional muy primitivo, la creación de un código de corrección de error cuántico y la tarea más fácil de demostrar la supremacía cuántica no es probable que sea lograda por dispositivos que son de muy bajo nivel en términos de complejidad computacional.

(En la conversación mencionada anteriormente con Aram Harrow, se señala que si uno tomara los argumentos iniciales de Kalai directamente, incluso la corrección de errores clásica no sería posible).

En la publicación, Kalai continúa argumentando que una computadora cuántica primitiva no podría hacer la corrección de errores.

P: ¿Pero por qué no puedes simplemente crear qubits lo suficientemente buenos como para permitir circuitos cuánticos universales con 50 qubits?

R: Esto permitirá que dispositivos muy primitivos (en términos del comportamiento asintótico de la complejidad computacional) realicen una computación superior.

Kalai también dio una conferencia ( YouTube ) sobre por qué la computación cuántica topológica no funcionaría.

P: "¿Cuál es la razón para sugerir que no se pueden construir computadoras cuánticas prácticas ( como lo presentó el profesor Gil Kalai , y ha cambiado algo desde 2013)?".

En una entrevista titulada "¿ Movimiento perpetuo del siglo XXI? ", El profesor Kalai afirma:

"Para los sistemas cuánticos existen obstáculos especiales, como la incapacidad de hacer copias exactas de los estados cuánticos en general. Sin embargo, gran parte de la teoría de la corrección de errores se ha trasladado, y el famoso teorema del umbral muestra que el cálculo cuántico tolerante a fallas (FTQC) es posible si se cumplen ciertas condiciones. La condición más enfatizada establece un umbral para la tasa absoluta de error, uno aún de órdenes de magnitud más estrictos que lo que la tecnología actual logra pero accesible. Sin embargo, una cuestión planteada aquí es si los errores tienen suficiente independencia para que funcionen estos esquemas o las correlaciones se limitan a lo que pueden manejar ".

En un artículo anterior de su título " Computadoras cuánticas: propagación de ruido y modelos de ruido adversario ", afirma:

Página 2: "La viabilidad de las computadoras cuánticas computacionalmente superiores es uno de los problemas científicos más fascinantes de nuestro tiempo. La principal preocupación con respecto a la viabilidad de la computadora cuántica es que los sistemas cuánticos son inherentemente ruidosos. La teoría de la corrección de errores cuánticos y la cuántica tolerante a fallas La computación (FTQC) brinda un fuerte apoyo a la posibilidad de construir computadoras cuánticas. En este documento discutiremos los modelos de ruido adversarial que pueden fallar en la computación cuántica. Este documento presenta una crítica de la corrección de errores cuánticos y el escepticismo sobre la viabilidad de las computadoras cuánticas ".

Página 19: "El problema principal es, por lo tanto, comprender y describir las operaciones de ruido nuevo (o infinitesimal). Los modelos adversos que consideramos aquí deben considerarse como modelos de ruido nuevo. Pero el comportamiento de los errores acumulativos en los circuitos cuánticos que permiten la propagación de errores es una especie de "modelo a seguir" para nuestros modelos de ruido fresco.

La imagen común de FTQC afirma:

• La tolerancia a fallas funcionará si somos capaces de reducir los nuevos errores de puerta / qubit por debajo de un cierto umbral. En este caso, se suprimirá la propagación de errores.

Lo que proponemos es:

• La tolerancia a fallas no funcionará porque el error general se comportará como errores acumulados para la propagación de errores estándar (para circuitos que permiten la propagación de errores), aunque no necesariamente debido a la propagación de errores.

Por lo tanto, para un modelado apropiado de computadoras cuánticas ruidosas, los nuevos errores deben comportarse como errores acumulados para la propagación de errores estándar (para circuitos que permiten la propagación de errores).

(Como resultado, al final no podremos evitar la propagación de errores) ".

Página 23: "Conjetura B: en cualquier computadora cuántica ruidosa en un estado altamente enredado habrá un fuerte efecto de sincronización de errores.

Ya deberíamos explicar informalmente en este punto por qué estas conjeturas, si son ciertas, son perjudiciales. Comenzamos con la Conjetura B. Los estados de las computadoras cuánticas que aplican códigos de corrección de errores necesarios para FTQC están altamente enredados (por cualquier definición formal de "alto enredo"). La conjetura B implicará que en cada ciclo de computadora habrá una probabilidad pequeña pero sustancial de que el número de qubits defectuosos sea mucho mayor que el umbral. Esto contrasta con los supuestos estándar de que la probabilidad de que el número de qubits defectuosos sea mucho mayor que el umbral disminuye exponencialmente con el número de qubits. Tener una probabilidad pequeña pero sustancial de que un gran número de qubits sea defectuoso es suficiente para fallar los códigos de corrección de error cuántico ".

Ver también su artículo: " Cómo fallan las computadoras cuánticas: códigos cuánticos, correlaciones en sistemas físicos y acumulación de ruido ".

Muchas personas se disgregan, y mucho ha cambiado, vea esta página de Wikipedia: " Teorema del umbral cuántico ", o este documento " Cálculos cuánticos experimentales en un Qubit codificado topológicamente ", incluso hay este documento sobre metrología cuántica donde los autores afirman que: "Hacer uso de coherencia y enredo como recursos cuánticos metrológicos permite mejorar la precisión de la medición desde el ruido de disparo o el límite cuántico hasta el límite de Heisenberg ". en su artículo: " Metrología cuántica con un qutrit transmón " utilizando dimensiones adicionales.

No puedo comentar sobre los detalles de sus argumentos, porque no pretendo entenderlos completamente. Pero, en general, tenemos que preguntarnos si la mecánica cuántica seguirá siendo válida para muchos sistemas qubit y estados que se encuentran en lo profundo del espacio de Hilbert.

La física se trata de observar la naturaleza, construir teorías, confirmar las teorías y luego encontrar dónde se descomponen. Entonces el ciclo comienza de nuevo.

Nunca hemos tenido sistemas cuánticos tan limpios, bien controlados y grandes como los procesadores cuánticos actuales. Los dispositivos capaces de lograr la 'supremacía' están aún más allá de nuestra experiencia experimental actual. Por lo tanto, es válido preguntarse si esta esquina no probada de QM podría ser donde todo se descompone. Quizás aparezcan nuevos efectos 'post-cuánticos', que efectivamente actúen como formas de ruido no corregibles.

Por supuesto, la mayoría de nosotros no cree que lo haga. Y esperamos que no lo haga, o no habrá computadoras cuánticas. Sin embargo, debemos estar abiertos a la posibilidad de que estemos equivocados.

Y la minoría que piensa que la computación cuántica fallará debería estar abierta a la idea de que también están equivocados. Con suerte, no resultarán ser la nueva marca de 'negadores de violaciones de Bell'.