Dlaczego komputery kwantowe muszą być utrzymywane w pobliżu zera absolutnego?

Internetowe opisy komputerów kwantowych często omawiają, jak należy je utrzymywać w pobliżu zera absolutnego .$\left(0~\mathrm{K}~\text{or}~-273.15~{\left. {}^{\circ}\mathrm{C} \right.}\right)$

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}

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.)

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.

$p_i$$i$${\varepsilon}_i$$T$

$p_i={\frac{e^{- {\varepsilon}_i / k T}}{\sum_{j=1}^{M}{e^{- {\varepsilon}_j / k T}}}}$

$k$

${\varepsilon}_i$

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.

$p_i=0$${\varepsilon}_i<<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.