Почему оптические квантовые компьютеры не должны находиться вблизи абсолютного нуля, в то время как сверхпроводящие квантовые компьютеры делают это?

Это дополнительный вопрос к ответу @ Хезер на вопрос: почему квантовые компьютеры должны находиться вблизи абсолютного нуля?

Что я знаю:

• Сверхпроводящие квантовые вычисления . Это реализация квантового компьютера в сверхпроводящей электронной схеме.

• Оптические квантовые вычисления : он использует фотоны в качестве носителей информации и линейные оптические элементы для обработки квантовой информации, а также использует детекторы фотонов и квантовую память для обнаружения и хранения квантовой информации.

Далее, вот что говорит Википедия о сверхпроводящих квантовых вычислениях :

Классические вычислительные модели основаны на физических реализациях, соответствующих законам классической механики. Однако известно, что классическое описание является точным только для конкретных случаев, в то время как более общее описание природы дается квантовой механикой. Квантовые вычисления изучают применение квантовых явлений, которые выходят за рамки классического приближения, для обработки информации и коммуникации. Существуют различные модели квантовых вычислений, однако наиболее популярные модели включают в себя понятия кубитов и квантовых вентилей. Кубит является обобщением бита - системы с двумя возможными состояниями, которая может находиться в квантовой суперпозиции обоих. Квантовые ворота - это обобщение логических ворот: он описывает преобразование, которое будет испытывать один или несколько кубитов после того, как к ним будут применены ворота, учитывая их начальное состояние. Физическая реализация кубитов и ворот трудна по тем же причинам, что квантовые явления трудно наблюдать в повседневной жизни.Один из подходов состоит в том, чтобы реализовать квантовые компьютеры в сверхпроводниках, где квантовые эффекты становятся макроскопическими, хотя и по цене чрезвычайно низких рабочих температур.

Это имеет некоторый смысл! Однако я искал, почему оптическим квантовым компьютерам не нужны «чрезвычайно низкие температуры» в отличие от сверхпроводящих квантовых компьютеров. Разве они не страдают от той же проблемы, то есть трудно ли наблюдать квантовые явления в оптических квантовых компьютерах так же, как и для сверхпроводящих квантовых компьютеров? Являются ли квантовые эффекты уже макроскопическими при комнатных температурах в таких компьютерах? Почему так?

Я изучал описание линейных оптических квантовых вычислений в Википедии , но не нашел ссылки на «температуру» как таковую.

Я искал, почему оптическим квантовым компьютерам не нужны «чрезвычайно низкие температуры» в отличие от сверхпроводящих квантовых компьютеров.

$f_{10}$$E_{10} = h f_{10}$$h$$E_\text{thermal} = k_b T$$k_b$

$T < 0.48 \, \text{K}$

$\left \lvert 0 \right \rangle$$\left \lvert 1 \right \rangle$$10^{14}$

Разве они не страдают от той же проблемы, то есть трудно ли наблюдать квантовые явления в оптических квантовых компьютерах так же, как и для сверхпроводящих квантовых компьютеров?

$^{[a]}$, На самом деле, лучшие фотодетекторы в любом случае должны работать в криогенных средах, поэтому некоторые архитектуры оптических квантовых вычислений нуждаются в криогенном охлаждении, несмотря на тот факт, что сами кубиты имеют очень высокую частоту.

PS Этот ответ можно было бы немного расширить. Если у кого-то есть определенный аспект, о котором он хотел бы узнать больше, пожалуйста, оставьте комментарий.

$[a]$

Потому что свет на правильных частотах слабо взаимодействует с веществом. В квантовом режиме это приводит к тому, что одиночные фотоны в значительной степени свободны от шума и декогеренции, что является основным препятствием для других архитектур контроля качества. Окружающая температура не так сильно нарушает квантовое состояние фотона, как при передаче квантовой информации веществом (атомами, ионами, электронами, сверхпроводящими цепями и т. Д.). Например, недавно была продемонстрирована надежная передача фотонных кубитов (точнее, протокола QKD) между Китаем и Австрией с использованием низкоорбитального спутника в качестве линии связи (см., Например, здесь ).

К сожалению, свет также очень слабо взаимодействует (как и обычно) с другим светом. Различные фотоны, не взаимодействующие друг с другом, делают оптические квантовые вычисления несколько сложными. Например, базовые элементы, такие как двухкубитные элементы, когда кубиты переносятся разными фотонами, требуют некоторой формы нелинейности, которую обычно труднее реализовать экспериментально.

DanielSank верен, но я думаю, что ответ на самом деле еще более тонкий. Если бы не было потерь, также не было бы фонового излучения, попадающего в ваше квантовое устройство. Даже если он изначально был термически возбужденным, можно было активно сбросить состояние кубитов. Таким образом, в дополнение к тепловым возбуждениям микроволновых кубитов, фундаментальная причина их охлаждения до такой низкой температуры - это действительно диэлектрические потери материалов, в которых живет квантовое состояние.

Воздух почти не наносит потерь оптическим фотонам, но электрические цепи ослабляют плазмоны микроволновой частоты, несущие квантовую информацию. Пока что единственный способ избавиться от этих потерь - это использовать сверхпроводники и, кроме того, перейти к криогенным температурам, намного ниже критической температуры сверхпроводников, но нет никаких фундаментальных причин для невозможности использования более высоких температур. в будущем, когда материалы с меньшими потерями станут доступны .