Почему квантовые компьютеры должны быть близки к абсолютному нулю?

В онлайн-описаниях квантовых компьютеров часто обсуждается, как их хранить вблизи абсолютного нуля .$\left(0~\mathrm{K}~\text{or}~-273.15~{\left. {}^{\circ}\mathrm{C} \right.}\right)$

Вопросов:

1. Почему квантовые компьютеры должны работать в таких экстремальных температурных условиях?

2. Является ли потребность в экстремально низких температурах одинаковой для всех квантовых компьютеров или она варьируется в зависимости от архитектуры?

3. Что будет, если они перегреются?

^{Источники: Youtube , D-Wave}

Ну, во-первых, не все системы должны находиться вблизи абсолютного нуля. Это зависит от реализации вашего квантового компьютера. Например, оптические квантовые компьютеры не должны находиться вблизи абсолютного нуля, но сверхпроводящие квантовые компьютеры делают это. Итак, это отвечает на ваш второй вопрос.

Чтобы ответить на ваш первый вопрос, сверхпроводящие квантовые компьютеры (например) должны храниться при низких температурах, чтобы тепловая среда не могла вызывать флуктуации энергий кубитов. Такие колебания будут шумом / ошибками в кубитах.

(См. Вопрос Блю, почему оптические квантовые компьютеры не должны находиться вблизи абсолютного нуля, в то время как сверхпроводящие квантовые компьютеры делают это? И ответ Дэниела Санка для получения дополнительной информации.)

Чтобы правильно понять этот вопрос (и его возможные ответы), нам нужно обсудить пару понятий, связанных с температурой и ее отношением к квантовым состояниям. Так как я думаю, что вопрос имеет больше смысла в твердом состоянии , этот ответ будет предполагать, что это то, о чем мы говорим.

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

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

$k$

${\varepsilon}_i$

Кроме того, мы должны рассмотреть фононы , коллективные возбуждения в периодических, упругих расположениях атомов или молекул в конденсированном веществе. Они часто являются переносчиками энергии к нашим кубитам и обратно в ту часть твердого тела, где у нас нет утонченного квантового контроля, и поэтому она термализуется: так называемая термальная ванна .

Почему квантовые компьютеры должны работать в таких экстремальных температурных условиях?

Мы никогда не сможем полностью контролировать квантовое состояние твердого куска материи. В то же время нам нужен полный контроль над квантовым состоянием нашего квантового компьютера , то есть подмножество квантовых состояний, в которых находится наша информация . Они будут жить в чистых состояниях (включая квантовые суперпозиции), в окружении неупорядоченной - термальной среды.

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

$|0>$$|1>$

Если вы сейчас думаете о фононах, вспомните, что они являются возбуждениями, которые стоят энергии и, следовательно, более распространены при высокой температуре. С ростом температуры растет число доступных фононов, и они будут представлять растущие энергии, иногда позволяя взаимодействовать с различными видами возбуждений (ускоряя кинетику в направлении термализации): в конце концов, с теми, которые вредны для нашего квантового компьютера.

Является ли потребность в экстремально низких температурах одинаковой для всех квантовых компьютеров или она варьируется в зависимости от архитектуры?

Это меняется, и резко так. В твердом состоянии это зависит от энергий состояний, которые составляют наши кубиты. За пределами твердого состояния, как указывалось выше и в последующем вопросе ( Почему оптические квантовые компьютеры не должны находиться вблизи абсолютного нуля, а сверхпроводящие квантовые компьютеры делают это? ), Это совсем другая история.

Что будет, если они перегреются?

Смотри выше. В двух словах: вы теряете свою квантовую информацию быстрее.