Perché i computer quantistici devono essere tenuti vicino allo zero assoluto?

Le descrizioni online dei computer quantistici spesso discutono di come debbano essere mantenute vicino allo zero assoluto .$\left(0~\mathrm{K}~\text{or}~-273.15~{\left. {}^{\circ}\mathrm{C} \right.}\right)$

Domande:

1. Perché i computer quantistici devono operare in condizioni di temperatura così estreme?

2. La necessità di temperature estremamente basse è la stessa per tutti i computer quantistici o varia in base all'architettura?

3. Cosa succede se si surriscaldano?

^{Fonti: Youtube , D-Wave}

Bene, in primo luogo, non tutti i sistemi devono essere mantenuti vicino allo zero assoluto. Dipende dalla realizzazione del tuo computer quantistico. Ad esempio, i computer quantistici ottici non devono essere tenuti vicino allo zero assoluto, ma i computer quantistici superconduttori lo fanno. Quindi, questo risponde alla tua seconda domanda.

Per rispondere alla tua prima domanda, i computer quantistici superconduttori (ad esempio) devono essere tenuti a basse temperature in modo che l'ambiente termico non possa indurre fluttuazioni nelle energie dei qubit. Tali fluttuazioni sarebbero rumore / errori nei qubit.

(Vedi la domanda di Blue Perché i computer quantistici ottici non devono essere tenuti vicino allo zero assoluto mentre lo fanno i computer quantistici superconduttori? E la risposta di Daniel Sank per alcune informazioni di follow-up.)

Per comprendere correttamente questa domanda (e le sue possibili risposte), dobbiamo discutere un paio di concetti relativi alla temperatura e alla sua relazione con gli stati quantistici. Dal momento che penso che la domanda abbia più senso allo stato solido , questa risposta supporrà che sia di questo che stiamo parlando.

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

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

$k$

${\varepsilon}_i$

Inoltre, dobbiamo considerare i fononi , le eccitazioni collettive nelle disposizioni periodiche ed elastiche di atomi o molecole in materia condensata. Questi sono spesso i portatori di energia da e verso i nostri qubit nella parte del solido in cui non abbiamo un controllo quantico squisito e che quindi è termizzato: il cosiddetto bagno termico .

Perché i computer quantistici devono operare in condizioni di temperatura così estreme?

Non possiamo mai controllare completamente lo stato quantico di un solido pezzo di materia. Allo stesso tempo, abbiamo bisogno del pieno controllo dello stato quantico del nostro computer quantistico , il che significa il sottoinsieme degli stati quantistici in cui risiedono le nostre informazioni . Vivranno in stati puri (comprese le sovrapposizioni quantistiche), circondati da un ambiente disordinato e termalizzato.

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

$|0>$$|1>$

Se ora pensi ai fononi, ricorda che sono eccitazioni, che costano energia e quindi sono più abbondanti alle alte temperature. Con l'aumentare della temperatura, c'è un numero crescente di fononi disponibili e presenteranno energie crescenti, a volte permettendo l'interazione con diversi tipi di eccitazioni (accelerando la cinetica verso la termalizzazione): alla fine, quelli che sono dannosi per il nostro computer quantistico.

La necessità di temperature estremamente basse è la stessa per tutti i computer quantistici o varia in base all'architettura?

Varia e drammaticamente. All'interno dello stato solido, dipende dalle energie degli stati che costituiscono i nostri qubit. Al di fuori dello stato solido, come sottolineato sopra e in una domanda di follow-up ( Perché i computer quantici ottici non devono essere tenuti vicino allo zero assoluto mentre i computer quantistici superconduttori lo fanno? ), È tutta un'altra storia.

Cosa succede se si surriscaldano?

Vedi sopra. In breve: perdi le tue informazioni quantistiche più velocemente.