양자 컴퓨터를 만드는 방법과 작동 방식을 정확히 모르거나 이론적으로 만드는 방법을 알고 있지만 실제로 실제로 실행할 도구가 없기 때문입니까? 위의 두 가지가 혼합되어 있습니까? 다른 이유가 있습니까?

우리는 이론적으로 양자 컴퓨터를 구성하는 방법을 정확히 알고 있습니다. 그러나 그것은 고전적인 컴퓨터를 만드는 것보다 본질적으로 더 어렵습니다.

고전적인 컴퓨터에서는 비트를 인코딩하기 위해 단일 입자를 사용할 필요가 없습니다. 대신에, 당신은 10 억 전자보다 적은 것은 0이고 그것보다 더 큰 것은 1이라고 말하고, 예를 들어, 1 억 개의 전자를 1로 인코딩하는 것을 목표로합니다. 따라서 내결함성이 있습니다. 수억 개의 전자가 예상보다 많거나 적더라도 여전히 디지털 0 또는 1로 올바른 분류를 얻을 수 있습니다.

양자 컴퓨터에서, 비 복제 정리로 인해이 트릭이 가능하지 않습니다 : 큐 비트 (quantum bit)를 인코딩하기 위해 하나 이상의 입자를 사소하게 사용할 수 없습니다. 대신, 모든 게이트가 제대로 작동하여 단일 입자 수준까지 정확할뿐만 아니라 단일 입자에 대해 얼마나 많은 양의 작용을하는지 (소위 양자 오류 수정 임계 값까지) 정교하게 만들어야합니다. 게이트는 수억 개의 전자에 정확하게 도달하는 것보다 훨씬 어렵습니다.

한편, 우리는 필요한 수준의 정확도로 양자 컴퓨터를 간신히 만들 수있는 도구를 가지고 있습니다. 그러나 아직 아무도 양자 컴퓨터가이기는 영역에서 수백 개의 논리 큐 비트를 구현하는 데 필요한 수십만 개의 물리적 큐 비트에서 정확하게 작동 할 수있는 큰 의미를 가진 사람은 아무도 없었습니다. 특정 문제에 대한 고전적인 컴퓨터 (양자 우위).

이론과 구현 모두에서 양자 컴퓨터를 구축하기가 훨씬 더 어려운 많은 이유가 있습니다.

가장 간단한 방법은 다음과 같습니다. 고전적인 동작을 보이는 기계를 제작하는 것은 쉽지만, 양자 행동을 시연하려면 실제로 차갑고 정밀하게 제어되는 기계가 필요합니다. 양자 영역의 열역학적 조건은 접근하기가 어렵다. 우리가 최종적으로 양자 시스템을 달성 할 때, 그것을 분리하고 다시 고전적으로 만드는 환경으로부터 격리시키는 것은 어렵습니다.

확장 성은 큰 문제입니다. 컴퓨터가 클수록 양자를 유지하는 것이 더 어렵습니다. 얽힘과 같이 양자 컴퓨터를 정말로 강력하게 만드는 현상은 큐빗이 서로 제어 된 방식으로 상호 작용할 수 있어야합니다. 이 컨트롤을 허용하는 아키텍처는 엔지니어링하기 어렵고 확장하기가 어렵습니다. 아무도 디자인에 동의하지 않았습니다!

@pyramids가 지적했듯이, 우리가 고전적인 기계에서 오류를 수정하기 위해 사용하는 전략은 일반적으로 양자 정보 이론에 의해 금지되는 정보 복제를 포함합니다. 우리는 영리한 양자 방식으로 오류를 완화하는 몇 가지 전략을 가지고 있지만, qubits는 이미 잡음이없고 많은 오류가 있어야합니다. 임계 값을 초과하여 엔지니어링을 향상시킬 수 없다면 이러한 전략을 사용할 수 없습니다.

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한 가지 중요한 점은 양자 컴퓨터에는 클래식 컴퓨터가 포함되어 있다는 것입니다. 따라서 퀀텀 컴퓨터는 클래식 컴퓨터만큼 구축하기가 어렵습니다.

구체적인 설명을 위해서는 범용 게이트 세트에 대해 생각해 볼 가치가 있습니다. 고전적인 계산에서는 단일 유형의 게이트를 조합하여 원하는 회로를 만들 수 있습니다. 사람들은 종종 NAND 게이트에 대해 이야기하지만이 논쟁을 위해 Toffoli 게이트 (제어 제어되지 않은 게이트라고도 함)에 대해 이야기하는 것이 더 쉽습니다. 모든 고전 (가역) 회로는 전체 Toffolis의 관점에서 작성 될 수 있습니다. 임의의 양자 계산은 Toffoli와 Hadamard의 두 가지 다른 유형의 게이트의 조합으로 작성 될 수 있습니다.

이것은 즉각적인 결과를 초래합니다. 분명히, 당신이 두 가지 다른 것을 요구한다면, 그 중 하나는 고전 물리학에는 존재하지 않습니다. 그것은 고전 물리학에 존재하는 것을 만드는 것보다 어렵습니다. 또한 Hadamard를 사용한다는 것은 고려해야 할 가능한 상태 세트가 더 이상 직교하지 않기 때문에 단순히 상태를보고 진행 방법을 결정할 수 없습니다. 결과적으로 구현하기가 더 어려워 지므로 이는 특히 Toffoli와 관련이 있습니다. 이전에는 다른 입력을 안전하게 측정하고 해당 값에 따라 출력에 무언가를 수행 할 수있었습니다. 그러나 입력이 직교가 아닌 경우에도 (또는 입력이 알려지지 않은 경우에도), 상태를 파괴 할 수 있기 때문에 측정 할 위험이 없습니다.

1996 년 David DiVincenzo는 양자 컴퓨터를 구축하기위한 5 가지 주요 기준을 나열했습니다.

1. 양자 컴퓨터는 확장 가능해야합니다.
2. 큐 비트를 초기화 할 수 있어야합니다.
3. 좋은 큐 비트가 필요하고 양자 상태를 잃을 수 없습니다
4. 보편적 인 양자 게이트 세트가 필요합니다
5. 모든 큐 비트를 측정 할 수 있어야합니다.

두 가지 추가 기준 :

6. 고정 및 비행 큐 비트를 상호 변환하는 기능
7. 먼 위치 사이에서 비행 큐 비트를 전송하는 기능.

긴 설명

복제가없는 정리로 인해 반복 코드를 사용한 오류 수정이 어렵다는 생각에 동의하지 않아야합니다. 입력이 계산 기준으로 제공되는 경우 (즉, 입력은 임의의 중첩이 아니며, 특히 Schor의 알고리즘과 같은 고전적인 문제를 해결할 때 거의 항상 그렇습니다) 제어 된 Not 게이트로 복제 할 수 있습니다 모든 복사본에 대해 병렬로 계산을 실행 한 다음 오류를 수정하십시오. 유일한 트릭은 오류 수정 중 (증후군 가능성을 제외하고) 측정하지 않도록하는 것입니다.이 작업을 수행하려면 양자 게이트를 계속 사용해야합니다.

양자 컴퓨터의 오류 수정은 기존 컴퓨터보다 훨씬 어렵지 않습니다. 선형성은 대부분의 인식 된 어려움을 겪을 수 있습니다.

또한 반복 코드보다 양자 오류 수정을위한 훨씬 더 효율적인 체계가 있다고 언급하고 싶습니다. 나머지를 생성하려면 두 개의 pauli-matrix가 필요하므로 비효율적이지만 개념적으로 간단한 반복 코드 경로를 사용하려면 두 가지 유형의 반복 코드가 필요합니다 (하나는 비트 플립 및 하나는 위상 플립). .

Quantum error correction은 논리적 큐 비트 당 물리적 ​​큐 비트 수의 선형 증가가 기존의 경우와 마찬가지로 지수 적으로 오류율을 향상 시킨다는 것을 보여줍니다.

아직도, 우리는 100 큐빗 근처에 있습니다. 이것이 진짜 문제입니다. 이 문제가 발생하기 전에 더 정확한 반정도 큐 비트를 함께 붙일 수 있어야합니다.

Ultimate Black Box

A quantum computer is by definition the ultimate black box. You feed in an input and you get a process, which produces an output.

Any attempt to open up the black box, will result in the process not happening.

Any engineer would tell you that would hinder any design process. Even the smallest design flaw would takes months of trial and error to trace down.