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.

physical-realization optical-quantum-computing architecture superconducting-quantum-computing Санчайан Датта
источник

Ответы:

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

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

f_{10} > k_{b} T / h .

$f_{10} > k_b T / h \, .$

h / k_{b} = 0.048 K / GHz .

$h/k_b = 0.048 \, \text{K / GHz} \, .$

f_{10} > 1 GHz \frac{T}{0.048 K}

$f_{10} > 1 \, \text{GHz} \, \,\frac{T}{0.048 \, \text{K}}$

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

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

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.

$[a]$

DanielSank
источник

Хороший ответ! Что касается вашего аргумента относительно того, почему фотоны более устойчивы к температуре: возможно, наиболее распространенный способ кодирования q-информации в фотонах - это использование их внутренних степеней свободы, а не кодирование «там / не там». Это особенно верно, так как многие квантово-оптические протоколы контроля качества работают в любом случае после выбора. Мне кажется, что эта линия рассуждений затрагивает степень ослабления / поглощения больше, чем степень декогеренции. Работает ли этот тип аргумента, когда речь идет о переходе, скажем, между горизонтальной и вертикальной поляризационными состояниями фотона?

GLS

@ glS Независимо от того, являются ли внутренние степени свободы фотонов более или менее распространенными, они, безусловно, используются, поэтому этот ответ следует расширить. Я знаю, что ваш ответ затрагивает этот вопрос, и я подумал, следует ли мне отредактировать ваш ответ, чтобы расширить его, или добавить свою собственную версию здесь.

DanielSank

Я думаю, это зависит от того, что будет добавление. Если вы можете расширить свой энергетический аргумент на переходы между внутренними степенями свободы фотонов, то это, вероятно, будет лучше соответствовать вашему ответу.

GLS

@glS Энергичный аргумент не работает для интернет-степеней свободы. Ваш ответ о сильных сторонах взаимодействия здесь более актуален. Единственная причина, по которой я не пошел на это, заключалась в том, что уже есть ваш ответ :-)

DanielSank

Когда вы пишете: «Проблема с нелинейными кристаллами состоит в том, что они очень неэффективны; только очень малая доля фотонов, которые фактически вступают в действие, устраняет нелинейный процесс, вызывающий взаимодействие». Является ли это взаимодействие температурно-независимым?

Агаитаарино

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.

GLS
источник

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 .

Johu
источник