El modelo de circuito cuántico describe una computadora cuántica como un sistema cuántico cerrado y supone que hay un sistema que ejecuta el circuito pero está completamente aislado del resto del universo. En el mundo real, sin embargo, no existen mecanismos conocidos para aislar verdaderamente un sistema cuántico de su entorno. Los sistemas cuánticos reales son sistemas cuánticos abiertos. Los sistemas cuánticos abiertos se acoplan a su entorno y destruyen la información cuántica en el sistema a través de la decoherencia . Al examinar la evolución simple de un sistema cuántico único, este acoplamiento sistema-ambiente parece causar errores en la evolución del sistema cuántico (que en este caso no sería unitario ).
Una moneda tiene dos estados, y produce un buen bit pero un qubit pobre porque no puede permanecer en superposición de headytailpor mucho tiempo ya que es un objeto clásico. Un solo espín nuclear puede ser un muy buen qubit, porque la superposición de estar alineado con o contra un campo magnético externo puede durar mucho tiempo, incluso días. Pero puede ser difícil construir una computadora cuántica a partir de espines nucleares porque su acoplamiento es tan pequeño que es difícil medir la orientación de un solo núcleo. La observación de que las restricciones son opuestas en general: una computadora cuántica tiene que estar bien aislada para retener sus propiedades cuánticas, pero al mismo tiempo sus qubits deben ser accesibles para que puedan ser manipulados para realizar cálculos y leer el resultados. Una implementación realista debe lograr un equilibrio entre estas restricciones.
El primer paso para resolver el problema de la decoherencia se dio en 1995 cuando Shor y Steane descubrieron independientemente un análogo cuántico de códigos de corrección de errores clásicos. Shor descubrió que al codificar información cuántica, esta información podría volverse más resistente a la interacción con su entorno. Tras este descubrimiento, se desarrolló una teoría rigurosa de la corrección de errores cuánticos. Se descubrieron muchos códigos diferentes de corrección de errores cuánticos y esto condujo además a una teoría del cálculo cuántico tolerante a fallas. El cómputo cuántico completamente tolerante a fallas describe métodos para tratar con el acoplamiento sistema-ambiente, así como también con el control defectuoso de la computadora cuántica.
De particular importancia fue el descubrimiento del teorema del umbral para la computación cuántica tolerante a fallas. El teorema del umbral establece que si las interacciones de decoherencia son de cierta forma y son más débiles que las interacciones de control en una determinada proporción, se puede lograr el cálculo cuántico con cualquier precisión deseada. El teorema del umbral para la tolerancia a fallas declara así una solución final a la pregunta de si existen límites teóricos para la construcción de computadoras cuánticas robustas.
Referencia: Decoherencia, control y simetría en computadoras cuánticas - D. Bacon
