Das Quantenschaltungsmodell beschreibt einen Quantencomputer als ein geschlossenes Quantensystem und nimmt an, dass es ein System gibt, das die Schaltung ausführt, aber vollständig vom Rest des Universums isoliert ist. In der realen Welt sind jedoch keine Mechanismen bekannt, um ein Quantensystem wirklich von seiner Umgebung zu isolieren. Reale Quantensysteme sind offene Quantensysteme. Offene Quantensysteme koppeln sich an ihre Umgebung und zerstören die Quanteninformationen im System durch Dekohärenz . Bei der Untersuchung der einfachen Entwicklung eines einzelnen Quantensystems scheint diese System-Umgebungs-Kopplung Fehler in der Entwicklung des Quantensystems zu verursachen (was in diesem Fall nicht einheitlich wäre).
Eine Münze hat zwei Zustände und macht ein gutes Stück, aber ein schlechtes Qubit, weil sie nicht in der Überlagerung von headund bleiben kanntailsolange es ein klassisches Objekt ist. Ein einzelner Kernspin kann ein sehr gutes Qubit sein, da die Überlagerung der Ausrichtung mit oder gegen ein externes Magnetfeld lange, sogar Tage dauern kann. Es kann jedoch schwierig sein, einen Quantencomputer aus Kernspins zu bauen, da ihre Kopplung so gering ist, dass es schwierig ist, die Ausrichtung eines einzelnen Kerns zu messen. Die Beobachtung, dass die Einschränkungen im Allgemeinen entgegengesetzt sind: Ein Quantencomputer muss gut isoliert sein, um seine Quanteneigenschaften beizubehalten, aber gleichzeitig müssen seine Qubits zugänglich sein, damit sie manipuliert werden können, um Berechnungen durchzuführen und die Werte auszulesen Ergebnisse. Eine realistische Umsetzung muss ein Gleichgewicht zwischen diesen Einschränkungen herstellen.
Der erste Schritt zur Lösung des Dekohärenzproblems wurde 1995 unternommen, als Shor und Steane unabhängig voneinander ein Quantenanalogon klassischer Fehlerkorrekturcodes entdeckten. Shor entdeckte, dass diese Informationen durch die Codierung von Quanteninformationen widerstandsfähiger gegen Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung werden könnten. Nach dieser Entdeckung wurde eine strenge Theorie der Quantenfehlerkorrektur entwickelt. Es wurden viele verschiedene Quantenfehlerkorrekturcodes entdeckt, was zu einer Theorie der fehlertoleranten Quantenberechnung führte. Die vollständig fehlertolerante Quantenberechnung beschreibt Methoden zum Umgang mit System-Umgebungs-Kopplung sowie zum Umgang mit fehlerhafter Steuerung des Quantencomputers.
Von besonderer Bedeutung war die Entdeckung des Schwellensatzes für die fehlertolerante Quantenberechnung. Der Schwellenwertsatz besagt, dass eine Quantenberechnung mit einer beliebigen Genauigkeit erreicht werden kann, wenn die Dekohärenzwechselwirkungen eine bestimmte Form haben und um ein bestimmtes Verhältnis schwächer sind als die steuernden Wechselwirkungen. Der Schwellenwertsatz für die Fehlertoleranz erklärt somit eine endgültige Lösung für die Frage, ob es theoretische Grenzen für den Aufbau robuster Quantencomputer gibt.
Referenz: Dekohärenz, Kontrolle und Symmetrie in Quantencomputern - D. Bacon
