Gibt es bekannte grundlegende Grenzen der Quantencomputer-Skalierung?

Quantencomputer bieten eine exponentielle Beschleunigung im Vergleich zu klassischen Computern. Es ist jedoch eine empirische Tatsache, dass eine Erhöhung der Anzahl von Qubits den Computer immer schwieriger macht, weiterzuarbeiten (Dekohärenz, abnehmende Trennung der Energieniveaus, längere Relaxationszeiten ...). Um dies zu erreichen, müssen Sie zu niedrigeren Temperaturen und einer besseren Abschirmung vor Umgebungsstörungen und einer höheren Präzision der Herstellung gehen.

Ich würde gerne wissen, ob es einige grundlegende Naturregeln gibt, die diese Parameter mit der Anzahl der Qubits verbinden, zumindest für adiabatische Quantencomputer und Quantenglühen , was am praktischsten erscheint.

  1. Z.B. bei Bedarf Temperatur (reps. β = 1 / T ) auch exponentiell mit der Anzahl der Qubits skalieren würde (da die Energiedifferenz zwischen den Ebenen ebenfalls exponentiell skalieren würde), würde die Computerleistung effektiv nur linear mit Fortschritten in der Kühl- und Abschirmungstechnologie skalieren.
  2. Vielleicht kann es eine grundlegende Grenze geben, die am Ende die Relaxationszeit mit der Anzahl der Qubits verbindet, so dass eine zunehmende Anzahl von Qubits eine exponentielle Erhöhung der Relaxationszeit erfordern würde (dh wenn die Trennung der Energieniveaus exponentiell abnimmt als die Periode der Quantenschwebung dazwischen dauert proportional länger). Dies würde bedeuten, dass die Verarbeitungsleistung, gemessen an der Anzahl der untersuchten Qubit-Konfigurationen pro Zeit, tatsächlich durch eine Konstante begrenzt wäre.

Es gibt einen interessanten Film über praktisches adiabatisches Quantencomputing , der eine gute Einführung in praktische Probleme sein kann.

Jede Beziehung in der Physik bricht irgendwann an einer Grenze des relevanten physikalischen Parameterbereichs zusammen, und Quantencomputing ist da keine Ausnahme. Dass Quanteneffekte wie die Dekohärenz zur Unterdrückung immer tieferer Temperaturen bedürfen, ist nicht unbedingt richtig, wie das Beispiel der Supraleitung beweist, die auch bei endlicher Temperatur vollkommen stabil ist. Die adiabatische QC scheint jedoch unter dem von Ihnen beschriebenen Fehler zu leiden, was diese spezielle Implementierung zu einer Sackgasse macht. Ich stimme Ihnen zu, dass das Hauptproblem der Physik bei QC darin besteht, warum es am Ende nicht funktioniert.

Antworten (1)

Hier nur eine Teilantwort, da ich kein wirklicher Experte auf dem Gebiet bin (insbesondere nicht adiabatische Quantenberechnung):

Wenn solche Einschränkungen bekannt wären, wären diese speziellen Forschungsrichtungen so gut wie tot. Da dies nicht der Fall ist, schließe ich daraus, dass keine solchen Grenzen bekannt sind.

Wenn wir alle möglichen Implementierungen berücksichtigen, kenne ich kein einziges akzeptiertes Ergebnis, das grundlegende Grenzen dafür angibt, wie groß ein Quantencomputer sein kann oder ob er überhaupt existieren kann, obwohl es Leute gibt, die ein solches Ergebnis erwarten.

Es sind jedoch viele grundlegende Einschränkungen bekannt. Hier gibt es eine Übersicht ( ArXiv ), die sich mehr auf klassische Computer konzentriert, aber es scheint, dass die grundlegenden Grenzen für analoge Computer auch für die adiabatische Quantenberechnung gelten und ihrer Skalierbarkeit Obergrenzen setzen könnten.

Ein weiteres experimentelles Problem wird in diesem PRL-Papier ( ArXiv ) diskutiert : Es scheint, dass die Kohärenzzeit in bestimmten Systemen nach oben begrenzt ist. Dies könnte ein Problem für die Fehlerkorrektur darstellen, da die Geschwindigkeit beispielsweise von Quantengattern durch ein anderes Phänomen nach unten begrenzt sein könnte. Allerdings weiß ich nicht, was die Leute über die Ideen dachten.

Viele solcher Einschränkungen sind bekannt, wie zum Beispiel, dass ein echter Quantencomputer über 400 Bit die AdS/CFT-Konformität brechen würde Wer die Arbeit macht und das Geld verschwendet, weiß selten, warum es eine Sackgasse ist. Zur Erinnerung: Die Homöopathie und die Theorie der flachen Erde sind auch nicht „ziemlich tot“.
@JohnHaugeland Könnten Sie auf die relevante Literatur verweisen und eine Antwort schreiben? Es stimmt definitiv nicht, dass Menschen, die an Quantencomputern arbeiten, eher Informatiker sind. Experimente werden fast nur von Physikern durchgeführt und es gibt eine ganze Reihe theoretischer Physiker, die an Quantencomputing arbeiten - sogar mit einem relevanten Hintergrund in der Quantengravitation (ich denke an die Preskill- und Kitaev-Gruppen sowie an Patrick Hayden), also ich nicht überzeugt.
Ich kannte das nicht, aber ich hätte es tun sollen - wie ich vor Jahren scottaaronson.com/democritus/lec14.html gelesen habe (wie Sie dort sehen können: es IST einem der lautstärksten Befürworter von Quantencomputern bekannt, und die meisten, die ich kenne, haben das Buch gelesen). Ich finde das Argument auch nicht wirklich überzeugend: Sie können immer nur auf n Informationsbits in einem bestimmten Zustand zugreifen, also können Sie nicht 2^n Informationsbits in n Qubits packen. Am Ende kommt es also darauf an: Was für „Informationen“ sind gemeint?
Gibt es bekannte grundlegende Grenzen der Quantencomputer-Skalierung?
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