Wie verhindern Quantencomputer „Quantenrauschen“?

Auf der Wikipedia-Seite für Shors Algorithmus wird angegeben, dass Shors Algorithmus derzeit nicht zum Faktorisieren von Zahlen mit RSA-Größe verwendet werden kann, da ein Quantencomputer aufgrund von Dingen wie Quantenrauschen nicht mit genügend Qubits gebaut wurde. Wie verhindern moderne Quantencomputer Interferenzen mit Berechnungen durch dieses Rauschen? Können sie das überhaupt verhindern?

Wie verhindern wir Quantenrauschen in einem Quantencomputer?

Technisch gesehen lautet die Antwort (zumindest für die meisten Systeme): Wir verwenden lächerlich niedrige Temperaturen (viel kälter als der Weltraum), wir schützen alles (oder zumindest so viel wie möglich), was zu Rauschen führen kann (Radiowellen, wie z Als Telefonsignale oder Licht, Magnetfelder, ...) tun wir alles, um Partikel auf unseren Chips zu entfernen, die mit unserem System interagieren könnten, und wir sind sehr vorsichtig, dass die Verbindungen (dh Kabel, Lichtwellenleiter usw.) zum Umgebung (Steuer- und Ausleseleitungen) tragen so wenig Lärm wie möglich.

Aber das wird nicht ausreichen, um einen relevanten Shor zu betreiben. Um zu verstehen, was wir sonst noch tun können, lassen Sie uns verstehen:

Was ist Quantenrauschen?

Rauschen ist in allen Systemen vorhanden - so auch in Ihrem klassischen Computer. In klassischen Computern kann sich dies jedoch nur auf eine Weise manifestieren: Ein Bit, das sich in einem Zustand befinden sollte (z. B. 1), entpuppt sich stattdessen in dem anderen Zustand (z. B. 0). Dies ist ziemlich einfach zu korrigieren: Wir führen die Berechnung nur einige Male parallel aus und überprüfen von Zeit zu Zeit, ob einer von ihnen ausgeschaltet ist, und korrigieren den Fehler (vorausgesetzt, die Mehrheit stimmt) *. Wir versuchen natürlich, Lärm zu vermeiden, aber was noch wichtiger ist, wir korrigieren ihn!

Quantenrauschen erweist sich als viel komplizierter. Wie das? Nun, im Allgemeinen kann der Zustand eines Quantenbits (Qubits) als Punkt auf einer Kugel (allgemein als Blochkugel bezeichnet) beschrieben werden. Rauschen kann diesen Punkt jetzt irgendwo entlang der Kugel verschieben (oder die Kugel sogar verkleinern). Aber wir können immer noch den gleichen Fehler korrigieren, den wir für den klassischen Computer verwendet haben, oder? Nein! Das Knifflige am Quantencomputing ist, dass wir nur Punkte auf der Kugel auswählen und wissen, zu welchem ​​Punkt es näher war *. Außerdem projizieren wir den Zustand des Qubits in diesen Wert - so wird der Wert tatsächlich zu dem Wert, den wir gemessen haben, egal was er vorher war. Verrückt, richtig? Nun, das ist Quantenmechanikfür dich. Wir können die Berechnungen also nicht einfach vergleichen, während wir sie wie zuvor ausführen, da dies unsere Berechnung zerstören würde!

Quantenfehlerkorrektur zur Rettung?

Nun, es stellt sich heraus, dass eine Quantenfehlerkorrektur tatsächlich durch ein paar Tricks möglich ist (die hier schwer zu erklären sind - also nur aus Gefühlsgründen: Wir messen stattdessen auf eine etwas andere Art und Weise, sodass wir nur das Wetter messen können, bei dem zwei Qubits die sind in gewisser Hinsicht gleich oder nicht. Wenn wir messen, dass sie gleich sind, haben wir sie wieder als gleich projiziert , wenn nicht, können wir sie korrigieren. Der wichtige Satz ist in gewisser Hinsicht , also müssen wir dies für mehrere Typen tun von Fehlern, die auftreten können, und versuchen Sie anschließend herauszufinden, was tatsächlich mit dem Qubit passiert ist. Damit es jedoch funktioniert, benötigen wir einen Quantencomputer, der zunächst nur sehr wenig Rauschen aufweist (siehe auch "Warum funktionieren Fehlerkorrekturprotokolle nur, wenn die Fehlerraten bereits zu Beginn sehr niedrig sind? "), können miteinander sprechen (sind gekoppelt) und wir haben im Allgemeinen eine ausreichende Kontrolle darüber. Im Moment ist niemand in der Nähe, alle diese Anforderungen auf einmal ausreichend zu erfüllen (getrennt auf verschiedenen Systemen wurden sie alle erreicht).

* Nun, so funktioniert es nicht, aber ungefähr.

Die Antwort auf Rauschen (und tatsächlich jede Fehlerquelle) bei Quantenberechnungen ist die Quantenfehlerkorrektur : Sie wählen eine Codierung so, dass diskretisierte Fehler nicht nur ungültigen Codierungen entsprechen, sondern auch eindeutig bestimmen, welche Art von Fehler aufgetreten sein muss. Dies ist nicht für alle Fehler möglich, aber mit vernünftigen Fehlermodellen (wie Einzel-Qubit-Fehler sind viel wahrscheinlicher als zwei Qubit-Fehler, die viel wahrscheinlicher sind als drei Qubit-Fehler usw.) kann gezeigt werden, dass, wenn Ihr Rauschen und andere Fehlerquellen liegen unter einem bestimmten Schwellenwert. Sie können beliebig große und lange Berechnungen aktivieren.