Несмотря на то, что мы получили формальные указания на огромные возможности, которыми обладает квантовый компьютер, работающий в соответствии с законами квантовой физики, имеется несколько принципиальных физических помех, которые надо будет преодолеть, прежде чем квантовый компьютер будет построен в лаборатории. Эти помехи делают путь построения квантового компьютера трудным и долгим одновременно, и на преодоление его уйдет, наверное, немало лет. Можно выделить две такие принципиальные трудности: коррекция ошибок и проблема декогерентности. Мы не будем обсуждать проблему коррекции ошибок, которая в конечном счете может оказаться очень сложной, так как, вероятно, небольшая неточность в реализации, например, импульса $\pi$ или других элементов квантового вычисления может в конечном счете привести к абсолютно неправильному ответу [27]. Некоторые авторы, изучая возникающие проблемы $[28,29]$, начали предлагать наброски схем коррекции таких ошибок [30]. Небольшие ошибки в алгоритме Шора могут быть скорректированы просто путем повторения этого вычисления несколько раз, пока правильный ответ не будет получен. Его к тому же просто проверить путем перемножения получаемых факторов. (На самом деле алгоритм Шора, как, впрочем, и многие другие используемые алгоритмы, не гарантирует правильного ответа с первой попытки даже в случае отсутствия ошибок.)

Кажется, что именно проблема декогерентности становится даже по современным представлениям наиболее серьезной проблемой в реализации квантовых вычислений. Декогерентность представляет собой следующее явление: если квантовая система не является изолированной от окружающей ее среды и квантовая динамика окружающий аппаратуры будет также зависеть от операций квантового компьютера, то подобные эффекты могут сделать эволюцию компьютера не унитарной. Так как пути параллельных вычислений, разделившись в начале вычисления, собираются только в конце (рис. 5), то потеря фазовой когерентности вдоль таких путей испортит картину конструктивной и деструктивной интерференции, которая является важнейшим моментом для квантовых вычислений. Следовательно, время декогерентности $t_{\varphi }$ должно быть много больше ожидаемого времени квантового вычисления. К счастью, проблема декогерентности относится к числу тех проблем, для которых продолжающееся совершенствование в искусстве проведения эксперимента способно произвести существенные изменения. Улучшение изолированности квантовой системы от окружающей ее среды, которое дополняется усовершенствованием технологии использования высокоточных измерений в экспериментальной физике, возможно, приведет к увеличению времени декогерентности $t_{\varphi }$, что позволит производить эффективные квантовые вычисления. В таблице 2 приведены значения времен декогерентности $t_{\varphi }$ для довольно широкого набора известных в настоящее время двухуровневых квантовых систем [16]. В силу большой разницы в расстояниях между уровнями допустимая скорость работы (время переключения) квантовых гейтов изменяется на шестнадцать порядков. Столь же велики различия в существующих на сегодняшний день технологических возможностях использования опрокидывающих импульсов в таких системах. Спектроскопия $\gamma$-излучения, необходимая для манипуляций мессбауровскими ндрами на сегоднншний день не существует, тогда как высокоточные радиочастотные технологии для изготовления опрокидывающих импульсов в ядерном магнитном резонансе (ЯМР) очень хорошо разработаны. Кроме того, технология может не позволить полностью использовать потенциальную скорость для любого данного кубита. Например, при недавних попытках реализовать квантовый компьютер с помощью линейных ионных ловушек [31], время переключения было порядка ${10}^{-5}$, что гораздо больше, чем ${10}^{-14}$, потому что оно оказалось ограниченно раскодированием кубита за счет квантовых вибраций иона внутри ловушки.

Не менее велик разброс времени декогерентности для различных систем (таблица 2). Отношение времени переключения ко времени декогерентности является важной чертой квантового компьютера. Оно определяет число шагов вычисления, которое можно совершить, пока декогерентность не нарушит соотношений между фазами. Вычисления Унру показывают [32], что для реализации схем, подобных алгоритму Шора, число нужных вычислений должно быть порядка куба от числа битов, содержащихся в целом числе, которое надо факторизовать. Когерентность существующих в настоящее время кубитов не позволяет, например, факторизовать ${10}^4$-битное число (задача, выходящая за пределы возможностей любого из существующих классических компьютеров). Тем не менее, в настоящий момент проводятся обнадеживающие эксперименты, в которых создаются элементарные квантовые гейты,
Таблица 2. В таблице представлены двухуровневые квантовомеханические системы, которые могут быть использованы в качестве квантового бита. $t_{\text{switch }}$ — минимальное время, за которое можно возбудить квантовую систему; оно выражается, как $\hslash /\delta E$, где $\delta E$ — характерный масштаб энергий для двухуровневой системы. Время квантовой декогерентности $t_{\varphi }$ — максимальное время, в течение которого при квантовых вычислениях процессы декогерентности не будут существенны. Оно определяется экспериментально. Отношение этих двух времен дает нам количество шагов, которое может совершить квантовый компьютер, используя такой квантовый бит. Ссылки на источники содержатся в [16].

использующие оптические микрополости [33], а также ионные ловушки [34]. Технологии, используемые в последнем случае, возникли из обобщения исследований атомных часов [35]. Это представляется крайне важным, так как квантовые вычисления требуют большого времени дефазирования, наряду с большим временем декогерентности. Дефазирование — потеря точности в фазовых факторах в (3), должно быть при квантовых вычислениях сведено к минимуму.