Qual é o argumento de que computadores quânticos práticos não podem ser construídos?

Uma resposta para outra pergunta menciona que

Há argumentos que sugerem que essas máquinas ["máquinas quânticas de Turing"] nem sequer podem ser construídas ...

Não sei se entendi bem o problema, então talvez não esteja fazendo a pergunta certa, mas aqui está o que eu poderia reunir.

Os slides são apresentados em uma palestra (de 2013) pelo professor Gil Kalai (Universidade Hebraica de Jerusalém e Universidade de Yale). Eu assisti a maior parte da palestra, e parece que a alegação dele é de que existe uma barreira para a criação de computadores quânticos tolerantes a falhas (FTCQ), e essa barreira provavelmente está na criação de qubits lógicos a partir de componentes físicos. (carimbo de data e hora 26:20):

Parece que o motivo dessa barreira se deve ao problema de ruído e correção de erros. E, embora a pesquisa atual leve em consideração o ruído, ela não o faz da maneira correta (esta é a parte que eu não entendo).

Sei que muitas pessoas (por exemplo, Scott Aaronson) são céticas em relação a essa alegação de impossibilidade, mas só estou tentando entender melhor o argumento:

Qual é o motivo para sugerir que computadores quânticos práticos não podem ser construídos (como apresentado pelo professor Gil Kalai, e algo mudou desde 2013)?

Se sua intenção é entender os argumentos de Gil Kalai, recomendo a seguinte publicação no blog dele: Meu argumento contra computadores quânticos: uma entrevista com Katia Moskvitch na Quanta Magazine (e os links nele).

Por uma boa medida, eu também lançaria o Movimento Perpétuo do Século XXI? (especialmente os comentários). Você também pode ver os destaques no My Quantum Debate com Aram Harrow: linha do tempo, destaques não técnicos e flashbacks I e My Quantum Debate com Aram II . Finalmente, se você ainda não o fez, veja Se Aaron joga ou não dados de Scott Aaronson , eu o faço .

Primeiro, um breve resumo da visão de Kalai em seu artigo no Notices (veja também The Quantum Computer Puzzle @ Notices of the AMS ):

Compreender computadores quânticos na presença de ruído requer consideração de comportamento em diferentes escalas. Em pequena escala, os modelos padrão de ruído de meados dos anos 90 são adequados, e as evoluções e estados quânticos descritos por eles manifestam um poder computacional de nível muito baixo. Esse comportamento em pequena escala tem consequências de longo alcance para o comportamento de sistemas quânticos ruidosos em escalas maiores. Por um lado, não permite alcançar os pontos de partida para tolerância quântica de falhas e supremacia quântica, tornando-os impossíveis em todas as escalas. Por outro lado, leva a novas formas implícitas de modelagem de ruído em escalas maiores e a várias previsões sobre o comportamento de sistemas quânticos ruidosos.

Segundo, um argumento recente sobre por que ele acha que a correção clássica de erros é possível, mas a correção quântica de erros não é.

Ao contrário do mecanismo de repetição / maioria, que é suportado por um poder computacional muito primitivo, a criação de um código de correção de erros quânticos e a tarefa mais fácil de demonstrar a supremacia quântica provavelmente não serão alcançadas por dispositivos de nível muito baixo em termos de complexidade computacional.

(Na conversa acima mencionada com Aram Harrow, salienta- se que, se alguém levasse os argumentos iniciais de Kalai diretamente, então nem mesmo a correção clássica de erros seria possível.)

No post, Kalai continua argumentando que um computador quântico primitivo não seria capaz de corrigir erros.

P: Mas por que você não pode simplesmente criar qubits bons o suficiente para permitir circuitos quânticos universais com 50 qubits?

R: Isso permitirá que dispositivos muito primitivos (em termos do comportamento assintótico da complexidade computacional) executem computação superior.

Kalai também deu uma palestra ( YouTube ) sobre por que a computação quântica topológica não funcionaria.

P: "Qual é o motivo para sugerir que computadores quânticos práticos não podem ser construídos ( como apresentado pelo professor Gil Kalai , e algo mudou desde 2013)?".

Em uma entrevista intitulada " Movimento Perpétuo do Século XXI? ", O Prof Kalai afirma:

"Para sistemas quânticos, existem obstáculos especiais, como a incapacidade de fazer cópias exatas dos estados quânticos em geral. No entanto, grande parte da teoria da correção de erros foi transferida, e o famoso teorema do limite mostra que o cálculo quântico tolerante a falhas (FTQC) é possível se certas condições forem atendidas. A condição mais enfatizada define um limite para a taxa de erro absoluta, ainda uma ordem de magnitude mais rigorosa do que a tecnologia atual alcança, mas acessível. Uma questão levantada aqui, no entanto, é se os erros têm independência suficiente para que esses esquemas funcionem ou correlações limitadas ao que eles podem lidar. "

Em um artigo anterior intitulado " Computadores quânticos: modelos de propagação de ruído e ruído adverso ", ele afirma:

Página 2: "A viabilidade de computadores quânticos computacionalmente superiores é um dos problemas científicos mais fascinantes do nosso tempo. A principal preocupação em relação à viabilidade de computadores quânticos é que os sistemas quânticos são inerentemente barulhentos. A teoria da correção quântica de erros e do quantum tolerante a falhas (FTQC) fornece forte suporte à possibilidade de construção de computadores quânticos. Neste artigo, discutiremos modelos de ruído adversário que podem falhar na computação quântica. Este artigo apresenta uma crítica à correção de erros quânticos e ao ceticismo quanto à viabilidade de computadores quânticos ".

Página 19: "A questão principal é, portanto, entender e descrever as operações de ruído fresco (ou infinitesimal). Os modelos adversários que consideramos aqui devem ser considerados modelos de ruído fresco. Mas o comportamento de erros acumulativos em circuitos quânticos que permitem a propagação de erros é uma espécie de "modelo" para nossos modelos de ruído novo.

A imagem comum do FTQC afirma:

• A tolerância a falhas funcionará se conseguirmos reduzir os novos erros de gate / qubit para abaixo de um determinado limite. Nesse caso, a propagação do erro será suprimida.

O que propomos é:

• A tolerância a falhas não funcionará porque o erro geral se comportará como erros acumulados para a propagação de erros padrão (para circuitos que permitem a propagação de erros), embora não necessariamente por causa da propagação de erros.

Portanto, para uma modelagem apropriada de computadores quânticos ruidosos, os novos erros devem se comportar como erros acumulados para a propagação de erros padrão (para circuitos que permitem a propagação de erros).

(Como resultado, no final, não poderemos evitar a propagação de erros.) ".

Página 23: "Conjectura B: Em qualquer computador quântico barulhento em um estado altamente emaranhado, haverá um forte efeito de sincronização de erros.

Deveríamos explicar informalmente já neste ponto por que essas conjecturas, se verdadeiras, são prejudiciais. Começamos com a Conjectura B. Os estados dos computadores quânticos que aplicam códigos de correção de erros necessários para o FTQC são altamente emaranhados (por qualquer definição formal de “alto emaranhamento”). A conjectura B implica que a cada ciclo do computador haverá uma probabilidade pequena, mas substancial, de que o número de qubits defeituosos seja muito maior que o limite. Isso contrasta com as premissas padrão de que a probabilidade do número de qubits defeituosos ser muito maior que o limite diminui exponencialmente com o número de qubits. Ter uma probabilidade pequena, mas substancial, de um grande número de qubits com defeito é suficiente para falhar nos códigos de correção de erro quântico ".

Veja também seu artigo: " Como os computadores quânticos falham: códigos quânticos, correlações em sistemas físicos e acumulação de ruído ".

Muitas pessoas desiludem, e muita coisa mudou, consulte esta página da Wikipedia: " Teorema do limiar quântico " ou este artigo " Computações quânticas experimentais em um Qubit codificado topologicamente ", há até mesmo este artigo sobre metrologia quântica, onde os autores afirmam que: "Fazendo uso de coerência e emaranhamento como recursos quânticos metrológicos permite melhorar a precisão da medição desde o ruído de tiro ou o limite quântico até o limite de Heisenberg ". em seu artigo: " Metrologia quântica com um quatrit transmon ", utilizando dimensões adicionais.

Não posso comentar as especificidades de seus argumentos, porque não pretendo entendê-los completamente. Mas, em geral, temos que nos perguntar se a mecânica quântica continuará sendo válida para muitos sistemas e estados de qubit que estão profundamente dentro do espaço de Hilbert.

A física tem tudo a ver com observar a natureza, construir teorias, confirmar as teorias e depois descobrir onde elas desmoronam. Então o ciclo começa novamente.

Nunca tivemos sistemas quânticos tão limpos, bem controlados e grandes quanto os atuais processadores quânticos. Os dispositivos capazes de obter a 'supremacia' estão além da nossa experiência experimental atual. Portanto, é válido pensar se esse canto não verificado do QM pode estar onde tudo se quebra. Talvez apareçam novos efeitos "pós-quantum", que atuam efetivamente como formas de ruído incorrigíveis.

Claro, a maioria de nós não acha que vai. E esperamos que não, ou não haverá computadores quânticos. No entanto, devemos estar abertos à possibilidade de estarmos errados.

E a minoria que pensa que a computação quântica falhará deve estar aberta à ideia de que eles também estão errados. Felizmente, eles não serão a nova marca de 'negadores de violação de Bell'.