Perché i computer quantistici ottici non devono essere tenuti vicino allo zero assoluto mentre i computer quantistici superconduttori lo fanno?

Questa è una domanda di follow-up alla risposta di @ heather alla domanda: perché i computer quantistici devono essere tenuti vicino allo zero assoluto?

Quello che so:

• Computazione quantistica superconduttiva : è un'implementazione di un computer quantistico in un circuito elettronico superconduttore.

• Informatica quantistica ottica : utilizza i fotoni come supporti di informazione ed elementi ottici lineari per elaborare le informazioni quantistiche e utilizza rilevatori di fotoni e memorie quantistiche per rilevare e memorizzare informazioni quantistiche.

Successivamente, questo è ciò che Wikipedia continua a dire sul calcolo quantistico superconduttore :

I modelli di calcolo classici si basano su implementazioni fisiche coerenti con le leggi della meccanica classica. È noto, tuttavia, che la descrizione classica è accurata solo per casi specifici, mentre la descrizione più generale della natura è data dalla meccanica quantistica. Il calcolo quantistico studia l'applicazione di fenomeni quantistici, che vanno oltre lo scopo dell'approssimazione classica, per l'elaborazione delle informazioni e la comunicazione. Esistono vari modelli di calcolo quantistico, tuttavia i modelli più popolari incorporano i concetti di qubit e gate quantistici. Un qubit è una generalizzazione di un bit - un sistema con due possibili stati, che può trovarsi in una sovrapposizione quantica di entrambi. Una porta quantistica è una generalizzazione di una porta logica: descrive la trasformazione che subiranno uno o più qubit dopo che il gate è stato applicato su di essi, dato il loro stato iniziale. L'implementazione fisica di qubit e gate è difficile, per le stesse ragioni che i fenomeni quantistici sono difficili da osservare nella vita di tutti i giorni.Un approccio è quello di implementare i computer quantistici nei superconduttori, dove gli effetti quantistici diventano macroscopici, anche se a un prezzo di temperature di funzionamento estremamente basse.

Questo ha un senso! Tuttavia, stavo cercando il motivo per cui i computer quantistici ottici non hanno bisogno di "temperature estremamente basse" a differenza dei computer quantistici superconduttori. Non soffrono dello stesso problema, cioè i fenomeni quantistici nei computer quantistici ottici non sono difficili da osservare come per i computer quantistici superconduttori? Gli effetti quantistici sono già macroscopici a temperatura ambiente, in tali computer? Perchè così?

Stavo esaminando la descrizione del calcolo ottico quantico lineare su Wikipedia , ma non ho trovato alcun riferimento alla "temperatura" in quanto tale.

Stavo cercando il motivo per cui i computer quantistici ottici non hanno bisogno di "temperature estremamente basse" a differenza dei computer quantistici superconduttori.

I qubit superconduttori di solito funzionano nella gamma di frequenze da 4 GHz a 10 GHz. L'energia associata a una frequenza di transizione nella meccanica quantistica è dove è la costante di Planck. Confrontando l'energia di transizione qubit con l'energia termica (dove è la costante di Boltzmann), vediamo che l'energia qubit è al di sopra dell'energia termica quando $f_{10}$$E_{10} = h f_{10}$$h$$E_\text{thermal} = k_b T$$k_b$

Osservando le costanti di Boltzmann e Planck, troviamo

Pertanto, possiamo scrivere

Quindi, per il qubit superconduttore a più alta frequenza a 10 GHz, abbiamo bisogno di affinché ci sia una bassa probabilità che il qubit sia eccitato o diseccitato in modo casuale a causa delle interazioni termiche. Questo è il motivo per cui i qubit superconduttori vengono generalmente utilizzati in frigoriferi a diluizione a ~ 15 milliKelvin. Naturalmente, abbiamo anche bisogno che la temperatura sia abbastanza bassa da ottenere i metalli superconduttori, ma per l'alluminio che si verifica a 1 K, quindi in realtà il vincolo di cui abbiamo già parlato è più importante.$T < 0.48 \, \text{K}$

D'altra parte, supponiamo che i due stati del qubit ottico e la presenza e l'assenza di un fotone ottico. Un fotone ottico ha una frequenza di circa Hz, che corrisponde a una temperatura di 14.309 Kelvin. Pertanto, esiste una probabilità estremamente bassa che l'ambiente termico cambi lo stato del qubit creando o rimuovendo un fotone. Questo è il motivo per cui la luce ottica ha una natura intrinsecamente meccanica quantistica.$\left \lvert 0 \right \rangle$$\left \lvert 1 \right \rangle$$10^{14}$

Non soffrono dello stesso problema, cioè i fenomeni quantistici nei computer quantistici ottici non sono difficili da osservare come per i computer quantistici superconduttori?

Bene, le difficoltà tra i computer quantistici superconduttori e i computer quantistici ottici sono diverse . I fotoni ottici essenzialmente non interagiscono tra loro. Per ottenere un'efficace interazione tra due fotoni, è necessario passarli attraverso un cristallo non lineare o eseguire una sorta di misurazione di fotorilevamento. La sfida con i cristalli non lineari è che sono molto inefficienti; solo una piccolissima frazione di fotoni che entrano effettivamente subisce il processo non lineare che provoca l'interazione. La sfida con il fotorilevamento è che è difficile costruire un fotorilevatore che abbia un'elevata efficienza di rilevamento e bassi conteggi dell'oscurità$^{[a]}$. In effetti, i migliori fotorilevatori devono essere effettivamente utilizzati in ambienti criogenici, quindi alcune architetture di calcolo quantistico ottico necessitano di refrigerazione criogenica nonostante il fatto che i qubit stessi abbiano una frequenza molto alta.

PS Questa risposta potrebbe essere ampliata un po '. Se qualcuno ha un aspetto particolare di cui vorrebbe saperne di più, lascia un commento.

$[a]$ : Dark conte indica le volte in cui un fotorilevatore pensa di aver visto un fotone anche se in realtà non ce n'era uno. In altre parole, non è la velocità con cui il rivelatore conta i fotoni quando è al buio.

Perché la luce, alle giuste frequenze, interagisce debolmente con la materia. Nel regime quantistico, questo si traduce in singoli fotoni che sono in gran parte liberi dal rumore e dalla decoerenza che è l'ostacolo principale con altre architetture di controllo qualità. La temperatura circostante non disturba lo stato quantico di un fotone tanto quanto fa quando l'informazione quantistica è trasportata dalla materia (atomi, ioni, elettroni, circuiti superconduttori ecc.). Ad esempio, recentemente è stata dimostrata la trasmissione affidabile di qubit fotonici (più precisamente, un protocollo QKD) tra Cina e Austria, usando un satellite a bassa orbita come collegamento (vedi ad esempio qui ).

Sfortunatamente, anche la luce interagisce in modo estremamente debole (come in pratica, in pratica no) con l'altra luce. Diversi fotoni che non interagiscono tra loro sono ciò che rende il calcolo quantistico ottico un po 'complicato. Ad esempio, elementi di base come porte a due qubit, quando i qubit sono trasportati da fotoni diversi, richiedono una qualche forma di non linearità, che è generalmente più difficile da implementare sperimentalmente.

DanielSank è corretto, ma penso che la risposta sia in realtà ancora più sottile. Se non ci fosse perdita, non ci sarebbe nemmeno modo in cui la radiazione di fondo coli nel tuo dispositivo quantico. Anche se inizialmente era eccitato termicamente, si potrebbe resettare attivamente lo stato dei qubit. Quindi, oltre alle eccitazioni termiche dei qubit a microonde, la ragione fondamentale per cui si raffreddano a così bassa temperatura è proprio la perdita dielettrica dei materiali in cui vive lo stato quantico.

L'aria non impone quasi alcuna perdita ai fotoni ottici, ma i circuiti elettrici attenuano i plasmoni di frequenza delle microonde che trasportano le informazioni quantistiche. Finora l'unico modo per sbarazzarsi di queste perdite è usare i superconduttori e, inoltre, andare a temperatuers criogenici molto più bassi della temperatura critica dei superconduttori, ma non ci sono ragioni fondamentali per non essere in grado di utilizzare temperature più elevate in futuro, quando saranno disponibili materiali con una perdita inferiore .