¿Cómo previenen las computadoras cuánticas el "ruido cuántico"?

En la página de Wikipedia para el algoritmo de Shor, se afirma que el algoritmo de Shor no es factible actualmente para factorizar números de tamaño RSA, porque una computadora cuántica no se ha construido con suficientes qubits debido a cosas como el ruido cuántico. ¿Cómo evitan las computadoras cuánticas modernas la interferencia con los cálculos de este ruido? ¿Pueden evitarlo?

¿Cómo evitamos el ruido cuántico en una computadora cuántica?

Bueno, técnicamente la respuesta es (al menos para la mayoría de los sistemas): utilizamos temperaturas ridículamente bajas (mucho más frías que el espacio), protegemos todo (o al menos la mayor cantidad posible), que podría introducir cualquier ruido (ondas de radio, como como señales telefónicas o luz, campos magnéticos, ...), hacemos todo lo posible para eliminar partículas en nuestros chips, que podrían interactuar con nuestro sistema y tenemos mucho cuidado, que las conexiones (es decir, cables, fibras ópticas y demás) a la El entorno (líneas de control y lectura) transportan el menor ruido posible.

Pero eso no será suficiente para ejecutar un Shor relevante. Para entender qué más podemos hacer, comprendamos:

¿Qué es el ruido cuántico?

El ruido está presente en todos los sistemas, también en su computadora clásica. Sin embargo, en las computadoras clásicas esto puede manifestarse de una sola manera: un bit que debería estar en un estado (por ejemplo, 1) resulta estar en el otro (por ejemplo, 0). Esto es bastante fácil de corregir: simplemente ejecutamos el cálculo en paralelo varias veces y verificamos de vez en cuando si uno de ellos está apagado y corregimos el error (suponiendo que la mayoría sea correcta) *. Entonces, por supuesto, tratamos de evitar el ruido, pero lo más importante, ¡lo corregimos!

El ruido cuántico resulta ser mucho más complicado. ¿Cómo es eso? Bueno, generalmente el estado de un bit cuántico (qubit) se puede describir como un punto en una esfera (comúnmente llamada esfera de bloch). El ruido ahora puede mover este punto en algún lugar a lo largo de la esfera (o, de hecho, hacer que la esfera sea más pequeña). Pero aún podemos aplicar el mismo error de corrección que usamos para la computadora clásica, ¿verdad? ¡No! La parte difícil de la computación cuántica es que solo podemos elegir puntos en la esfera y saber cuál estaba más cerca *. También proyectamos el estado del qubit en ese valor, por lo que el valor se convierte en el valor que medimos, sin importar lo que era antes. Loco, ¿verdad? Bueno, eso es mecánica cuántica.para ti. Por lo tanto, no podemos simplemente comparar los cálculos mientras lo ejecutamos como antes, ¡porque eso destruiría nuestro cálculo!

¿Corrección de error cuántico al rescate?

Bueno, resulta que la corrección de error cuántico es realmente posible a través de algunos trucos (que son un poco difíciles de explicar aquí, así que solo por el bien de los sentimientos: en su lugar, medimos de una manera ligeramente diferente, lo que nos permite medir el clima, dos qubits son el igual en algún aspecto o no. Nuevamente, si medimos que son iguales, los hemos proyectado para que sean iguales, si no podemos corregir. La frase importante es en cierto sentido , así que tenemos que hacer esto para varios tipos de errores que pueden suceder y luego tratar de descifrar qué sucedió realmente con el qubit). Sin embargo, para que funcione, necesitamos una computadora cuántica que ya tenga muy poco ruido (ver también "¿Por qué los protocolos de corrección de errores solo funcionan cuando las tasas de error ya son significativamente bajas para empezar? "), pueden hablar (están acoplados) entre sí y generalmente tenemos un control suficiente sobre. En este momento, nadie está cerca de cumplir con todos estos requisitos de una vez (por separado en un sistema diferente, todos se han logrado).

* Bueno, eso no es exactamente cómo funciona, pero más o menos.

La respuesta al ruido (y cualquier fuente de error, en realidad) en los cálculos cuánticos es la corrección de errores cuánticos : elige una codificación de modo que los errores discretizados correspondan no solo a codificaciones no válidas, sino que también determinen de forma única qué tipo de error debe haber ocurrido. Esto no es posible para todos los errores, pero con modelos de error razonables (como los errores de un solo qubit son mucho más probables que los errores de dos qubit que son mucho más probables que los errores de tres qubit, etc.) se puede demostrar que, si su ruido y otros las fuentes de error están por debajo de cierto umbral, puede habilitar cálculos arbitrariamente grandes y largos.