Dlaczego komputery kwantowe muszą być utrzymywane w pobliżu zera absolutnego?

14

Internetowe opisy komputerów kwantowych często omawiają, jak należy je utrzymywać w pobliżu zera absolutnego .(0 K or 273.15 C)

Pytania:

  1. Dlaczego komputery kwantowe muszą działać w tak ekstremalnych warunkach temperaturowych?

  2. Czy potrzeba ekstremalnie niskich temperatur jest taka sama dla wszystkich komputerów kwantowych, czy różni się w zależności od architektury?

  3. Co się stanie, jeśli się przegrzeją?


Źródła: Youtube , D-Wave

DIDIx13
źródło

Odpowiedzi:

14

Po pierwsze, nie wszystkie systemy muszą być utrzymywane w pobliżu zera absolutnego. To zależy od realizacji twojego komputera kwantowego. Na przykład optyczne komputery kwantowe nie muszą być utrzymywane w pobliżu zera absolutnego, ale robią to nadprzewodzące komputery kwantowe. To odpowiada na twoje drugie pytanie.

Aby odpowiedzieć na twoje pierwsze pytanie, nadprzewodzące komputery kwantowe (na przykład) muszą być utrzymywane w niskich temperaturach, aby środowisko termiczne nie mogło wywoływać wahań energii kubitów. Takie fluktuacje byłyby szumem / błędami w kubitach.

(Zobacz pytanie Blue, dlaczego optyczne komputery kwantowe nie muszą być utrzymywane w pobliżu zera absolutnego, podczas gdy nadprzewodzące komputery kwantowe? I odpowiedź Daniela Sanka na kilka dalszych informacji.)

wrzos
źródło
2

Aby właściwie zrozumieć to pytanie (i możliwe odpowiedzi), musimy omówić kilka pojęć związanych z temperaturą i jej stosunkiem do stanów kwantowych. Ponieważ myślę, że pytanie ma większy sens w stanie stałym , ta odpowiedź zakłada, że ​​o to właśnie mówimy.

piiεiT

pi=eεi/kTj=1Meεj/kT

k

εja

Dodatkowo musimy wziąć pod uwagę fonony , zbiorowe wzbudzenia w okresowych, elastycznych układach atomów lub cząsteczek w materii skondensowanej. Często są to nośniki energii do i z naszych kubitów do części ciała stałego, gdzie nie mamy znakomitej kontroli kwantowej i dlatego jest termalizowany: tak zwana kąpiel termiczna .

Dlaczego komputery kwantowe muszą działać w tak ekstremalnych warunkach temperaturowych?

Nigdy nie możemy w pełni kontrolować stanu kwantowego bryły materii. Jednocześnie potrzebujemy pełnej kontroli nad stanem kwantowym naszego komputera kwantowego , co oznacza podzbiór stanów kwantowych, w których znajdują się nasze informacje . Będą one żyły w czystych stanach (w tym superpozycjach kwantowych), otoczone nieuporządkowanym -zminimalizowanym środowiskiem.

pja=0εja<<kT.

|0>|1>

Jeśli teraz pomyślisz o fononach, przypomnij sobie, że są to pobudzenia, które kosztują energię, a zatem są bardziej obfite w wysokiej temperaturze. Wraz ze wzrostem temperatur rośnie liczba dostępnych fononów, które będą prezentować rosnące energie, czasami pozwalając na interakcję z różnego rodzaju wzbudzeniami (przyspieszając kinetykę w kierunku termalizacji): ostatecznie te, które są szkodliwe dla naszego komputera kwantowego.

Czy potrzeba ekstremalnie niskich temperatur jest taka sama dla wszystkich komputerów kwantowych, czy różni się w zależności od architektury?

Różni się i to dramatycznie. W stanie stałym zależy to od energii stanów, które tworzą nasze kubity. Poza stanem stałym, jak wskazano powyżej i w kolejnym pytaniu ( Dlaczego optyczne komputery kwantowe nie muszą być utrzymywane w pobliżu zera absolutnego, podczas gdy nadprzewodzące komputery kwantowe? ), To zupełnie inna historia.

Co się stanie, jeśli się przegrzeją?

Patrz wyżej. W skrócie: szybciej tracisz informacje kwantowe.

agaitaarino
źródło