¿Es porque no sabemos exactamente cómo crear computadoras cuánticas (y cómo deben funcionar), o sabemos cómo crearlo en teoría, pero no tenemos las herramientas para ejecutarlo en la práctica? ¿Es una mezcla de los dos anteriores? ¿Alguna otra razón?

Sabemos exactamente, en teoría, cómo construir una computadora cuántica. Pero eso es intrínsecamente más difícil que construir una computadora clásica.

En una computadora clásica, no tiene que usar una sola partícula para codificar bits. En cambio, podría decir que cualquier cosa menos de mil millones de electrones es un 0 y algo más que eso es un 1, y apunte, digamos, dos mil millones de electrones para codificar un 1 normalmente. Eso lo hace inherentemente tolerante a fallas: incluso si hay cientos de millones de electrones más o menos de lo esperado, aún obtendrá la clasificación correcta como un 0 o un 1 digital.

En una computadora cuántica, este truco no es posible debido al teorema de no clonación: no se puede emplear trivialmente más de una partícula para codificar un qubit (bit cuántico). En cambio, debe hacer que todas sus puertas funcionen tan bien que no solo sean precisas para el nivel de una sola partícula, sino incluso para una pequeña fracción de cuánto actúan en una sola partícula (al llamado umbral de corrección de error cuántico). Esto es mucho más desafiante que obtener puertas precisas simplemente dentro de cientos de millones de electrones.

Mientras tanto, tenemos las herramientas para hacer computadoras cuánticas con el nivel de precisión requerido. Pero hasta el momento, nadie ha logrado hacer uno grande que signifique uno que pueda operar con precisión en los quizás cientos de miles de qubits físicos necesarios para implementar un centenar de qubits lógicos para luego estar innegablemente en el reino donde late la computadora cuántica. computadoras clásicas en problemas selectos (supremacía cuántica).

Hay muchas razones, tanto en teoría como en implementación, que hacen que las computadoras cuánticas sean mucho más difíciles de construir.

La más simple podría ser esta: si bien es fácil construir máquinas que exhiban un comportamiento clásico, las demostraciones de comportamiento cuántico requieren máquinas realmente frías y controladas con mucha precisión. Las condiciones termodinámicas del régimen cuántico son de difícil acceso. Cuando finalmente logramos un sistema cuántico, es difícil mantenerlo aislado del entorno que busca decodificarlo y volverlo clásico.

La escalabilidad es un gran problema. Cuanto más grande es nuestra computadora, más difícil es mantener la cantidad. Los fenómenos que prometen hacer que las computadoras cuánticas sean realmente poderosas, como el enredo, requieren que los qubits puedan interactuar entre sí de manera controlada. Las arquitecturas que permiten este control son difíciles de diseñar y de escalar. ¡Nadie ha acordado un diseño!

Como señala @pyramids, las estrategias que usamos para corregir errores en máquinas clásicas generalmente involucran información de clonación, lo cual está prohibido por la teoría de la información cuántica. Si bien tenemos algunas estrategias para mitigar los errores en formas cuánticas inteligentes, requieren que los qubits ya estén libres de ruido y que tengamos muchos de ellos. Si no podemos mejorar nuestra ingeniería más allá de un umbral, no podemos emplear estas estrategias, ¡empeoran las cosas!

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Un punto importante es que las computadoras cuánticas contienen computadoras clásicas. Por lo tanto, debe ser al menos tan difícil construir una computadora cuántica como una computadora clásica.

Para una ilustración concreta, vale la pena pensar en conjuntos de puertas universales. En la computación clásica, puede crear cualquier circuito que desee mediante la combinación de un solo tipo de puerta. A menudo la gente habla sobre la puerta NAND, pero por el bien de este argumento, es más fácil hablar sobre la puerta Toffoli (también conocida como la puerta controlada-controlada-no). Cada circuito clásico (reversible) se puede escribir en términos de un montón de Toffolis. Un cálculo cuántico arbitrario se puede escribir como una combinación de dos tipos diferentes de puerta: el Toffoli y el Hadamard.

Esto tiene consecuencias inmediatas. Obviamente, si está pidiendo dos cosas diferentes, una de las cuales no existe en la física clásica, eso debe ser más difícil que simplemente hacer lo único que existe en la física clásica. Además, hacer uso del Hadamard significa que los conjuntos de estados posibles que debe considerar ya no son ortogonales, por lo que no puede simplemente mirar el estado y determinar cómo proceder. Esto es particularmente relevante para el Toffoli, porque como resultado resulta más difícil de implementar: antes, podía medir con seguridad las diferentes entradas y, dependiendo de sus valores, hacer algo a la salida. Pero si las entradas no son ortogonales (o incluso si lo son, ¡pero de forma desconocida!) No puede arriesgarse a medirlas porque destruirá los estados, específicamente,

En 1996, David DiVincenzo enumeró cinco criterios clave para construir una computadora cuántica:

1. Una computadora cuántica debe ser escalable,
2. Debe ser posible inicializar los qubits,
3. Se necesitan buenos qubits, el estado cuántico no se puede perder,
4. Necesitamos tener un conjunto universal de puertas cuánticas,
5. Necesitamos poder medir todos los qubits.

Dos criterios adicionales:

6. La capacidad de interconvertir qubits estacionarios y voladores,
7. La capacidad de transmitir qubits voladores entre ubicaciones distantes.

Larga explicación

Tengo que estar en desacuerdo con la idea de que el teorema de no clonación dificulta la corrección de errores con códigos de repetición. Dado que sus entradas se proporcionan en la base computacional (es decir, sus entradas no son superposiciones arbitrarias, lo cual es casi siempre el caso, especialmente cuando está resolviendo un problema clásico, por ejemplo, el algoritmo de Schor), puede clonarlas con compuertas controladas, ejecute su cálculo en paralelo en todas las copias y luego corrija los errores. El único truco es asegurarse de que no realiza una medición durante la corrección de errores (excepto posible del síndrome), y para hacer esto, todo lo que tiene que hacer es continuar utilizando puertas cuánticas.

La corrección de errores para las computadoras cuánticas no es mucho más difícil que para las computadoras clásicas. La linealidad toma la mayoría de las dificultades percibidas.

También me gustaría mencionar que existen esquemas mucho más eficientes para la corrección de errores cuánticos que los códigos de repetición. Y que necesita dos matrices de pauli para generar el resto, por lo que necesita dos tipos de códigos de repetición si va a utilizar la ruta de código de repetición ineficiente, pero conceptualmente simple (una para cambios de bits y otra para cambios de fase) .

La corrección de error cuántico muestra que el aumento lineal en el número de qubits físicos por qubit lógico mejora la tasa de error exponencialmente, tal como lo hace en el caso clásico.

Aún así, no estamos cerca de 100 qubits físicos. Este es el verdadero problema. Necesitamos poder unir muchos más qubits semi-precisos antes de que nada de esto comience a importar.

Ultimate Black Box

Una computadora cuántica es, por definición, la última caja negra. Introduce una entrada y obtiene un proceso que produce una salida.

Cualquier intento de abrir el cuadro negro dará como resultado que el proceso no suceda.

Cualquier ingeniero le diría que eso dificultaría cualquier proceso de diseño. Incluso la falla de diseño más pequeña tomaría meses de prueba y error para rastrear.