Dekoherence a kvantová korekce chyb

Podobný problém je ale i u klasických počítačů. Pravděpodobnost chyby na jeden bit za jednotku času je však u nich tak malá, že i u nejrozsáhlejších reálných výpočtů je celková pravděpodobnost chyby zanedbatelná. Kromě toho klasická informatika zná exponenciálně účinné samoopravné kódy [obecně se m bitů kóduje na n bitů (n>m)].

Je snaha vytvořit také kvantové samoopravné kódy. Klasické postupy však nelze mechanicky převzít, jednak proto, že obecný stav qubitu nelze namnožit, a také proto, že při zjišťování stavu sytému měřením se stav obecně změní. Zakódování jednoho qubitu do více je nicméně možné a dostatečně šetrné měření "syndromu chyby" je možné také.

Zatím byly navrženy kódy na "ochranu" jednoho qubitu. Periodickou opravou chyb lze stav qubitu (třeba v kvantové paměti) udržet s vysokou pravděpodobností nezměněný po výrazně delší dobu, než kdyby byl qubit ponechán sám sobě (analogie s kvantovým Zenonovým jevem).

I když na obecný typ chyby nestačí, nemusí být tento jednoduchý model, vzhledem k tvaru některých interakčních Hamiltoniánů (interakce qubitu s prostředím), vzdálen až tak moc od reality, jak se může zdát na první pohled.

Stav po interakci s prostředím může mít samozřejmě tvar obecné superpozice nebo ještě spíše statistické směsi výše uvedených stavů. Měření na ancille ovšem vždy vybere pouze jeden z nich.

Dva příklady možných praktických realizací kvantových počítačů
(na obou se již na několika místech ve světě pracuje i experimentálně)

Chladné ionty v pasti [J.I. Cirac, P. Zoller, Phys. Rev. Lett. 74 (1995), 4091]

• Kvantový registr: N iontů (laserově vychlazených) v lineární pasti.
• U každého iontu je laser, který může vytvořit stojaté elektromagnetické vlnění, s nímž iont interaguje.
• Dvě vnitřní energetické hladiny každého iontu odpovídají "0" a "1".
• Vzájemná interakce iontů (qubitů) je zprostředkována vibračním (fononovým) modem kolektivního (těžišťového) pohybu všech iontů.
• Působení laserových pulsů vhodné délky a polarizace o frekvenci odpovídající rozdílu vnitřních hladin umožňuje realizovat přechody mezi stavy "0" a "1" i vytvářet jejich superozice u každého jednotlivého iontu.
• Laserové pulsy, jejichž frekvence se liší od frekvence odpovídající rozdílu vnitřních energetických hladin o frekvenci těžišťového fononového modu, umožňují vedle přechodů mezi vnitřními hladidami také excitovat nebo deexcitovat zmíněný vibrační mod a zajistit tak interakci mezi různými qubity.
• Konkrétně tak lze uskutečnit např. přechod z horní hladiny (1) do základní (0) se současným vybuzením fonového modu nebo provést podmíněnou (pouze je-li vybuzen fonový mod) zěnu fáze základního stavu (0) [k tomu je potřeba další vzbuzený stav iontu (denerace) - přechod do něj vyžaduje jinou polarizaci laseru].
• Popsané operace s ionty jsou postačující ke konstrukci libovolného kvantového hradla.

NMR (nukleární magnetická rezonance) [N. Gershenfeld, I.L. Chaung, Science 275 (1997), 350]

• Jako kvantový registr slouží v tomto prípadě (organická) molekula, jednotlivé qubity jsou reprezentovány orientací spinů jader atomů v molekule.
• Vazba mezi qubity se realizuje na bázi spin-spinové interakce.
• Vzorek je umístěn v silném magnetickém poli. Jednotlivé jaderné spiny vykonávají vlivem tohoto pole precesní pohyb. Resonanční frekvence závisí na intenzitě pole, ale také na chemickém okolí jádra (díky tomu lze jednotlivé qubity - lišící se resonanční frekvencí - "adresovat").
• Se spiny lze manipulovat vysokofrekvenčním polem o resonanční frekvenci (s magnetickou složkou kolmou na silné statické magnetické pole). Vysokofrekvenčními pulsy o vhodné intenzitě, trvání a fázi lze provádět pootočení spinu o libovolný úhel podél dvou os kolmých ke směru silného magnetického pole (míněno v rotující souřadné soustavě). Z předem definovaného stavu qubitu lze tedy vytvořit libovolný jiný stav.
• Potíž je ale v tom, že je téměř nemožné pracovat s jedinou molekulou (hlavním důvodem je příliš slabý signál pro detekci) a že počáteční stav je smíšený stav odpovídající dané teplotě (chlazení je technicky složité). K obejití těchto problémů je třeba využít speciálního kódování a dodatečných "softwarových" operací na konci výpočtu před měřením.
• Výhodou této metody je dlouhý dekoherenční čas (jednotky až stovky sekund). Nevýhodou je velikostí molekuly omezený počet qubitů (nanejvýš kolem sta).