Создание квантовых компьютеров сталкивается с несколькими физическими ограничениями, которые влияют на их работу и масштабируемость. Одним из наиболее значительных факторов является декогеренция — это процесс, при котором квантовое состояние системы теряет свои квантовые свойства в результате взаимодействий с окружающей средой. Декогеренция критична для квантовых вычислений, поскольку она нарушает суперпозицию и запутанность, которые являются основными ресурсами квантовых систем.

Физические ограничения:

Декогеренция:

Из-за взаимодействия кубитов с окружающей средой (например, тепловыми колебаниями, электромагнитными полями) квантовые состояния быстро теряют свою когерентность. Время, в течение которого кубиты сохраняют свои когерентные состояния, называется временем когерентности. Чем длиннее это время, тем лучше для выполнения квантовых операций.

Уровень шума:

Квантовые системы подвержены различным видам шума (например, поперечному и продольному), что приводит к ошибкам в вычислениях. Шум может нарушать манипуляции с кубитами и влиять на точность вычислений.

Качество кубитов:

Кубиты должны обладать высокими квантовыми свойствами, такими как длительное время когерентности, высокое качество запутанности и низкий уровень ошибок. На практике это означает, что создание и поддержание кубитов с необходимыми свойствами является сложной задачей.

Скалярность:

Расширение количества кубитов может привести к усложнению архитектуры систем. Кроме того, надо учитывать, что при увеличении числа кубитов возрастает количество необходимых квантовых операций, что может повышать вероятность ошибок.Влияние декогеренции на масштабируемость:

Сложность коррекции ошибок: Для сохранения когерентности квантовых состояний необходимо применять протоколы квантовой коррекции ошибок. С увеличением числа кубитов сложность и количество требуемых ресурсов для эффективной коррекции ошибок возрастают.

Требования к контролю: Нужно обеспечить точное управление каждым кубитом в системе. По мере увеличения числа кубитов и сложности взаимодействий управлять ими становится труднее.

Длина цепочек операций: Чем длиннее цепочка операций над кубитами, тем выше вероятность, что хотя бы один кубит потеряет когерентность, что приводит к потере информации в вычислениях.

Таким образом, декогеренция является одним из главных препятствий на пути к построению масштабируемых квантовых компьютеров. Решение этих проблем требует разработки новых материалов, электроники, точных методов контроля и коррекции ошибок.