Mengapa komputer kuantum harus dijaga tetap mendekati nol absolut?

Deskripsi online komputer kuantum sering membahas bagaimana mereka harus dijaga agar tetap mendekati nol mutlak .$\left(0~\mathrm{K}~\text{or}~-273.15~{\left. {}^{\circ}\mathrm{C} \right.}\right)$

Pertanyaan:

1. Mengapa komputer kuantum harus beroperasi di bawah kondisi suhu ekstrem seperti itu?

2. Apakah kebutuhan suhu yang sangat rendah sama untuk semua komputer kuantum, atau apakah itu berbeda menurut arsitektur?

3. Apa yang terjadi jika mereka kepanasan?

^{Sumber: Youtube , D-Wave}

Yah, pertama, tidak semua sistem harus dijaga mendekati nol mutlak. Itu tergantung pada realisasi komputer kuantum Anda. Sebagai contoh, komputer kuantum optik tidak perlu dijaga mendekati nol absolut, tetapi komputer kuantum superkonduktor melakukannya. Jadi, itu menjawab pertanyaan kedua Anda.

Untuk menjawab pertanyaan pertama Anda, komputer kuantum superkonduktor (misalnya) harus dijaga pada suhu rendah sehingga lingkungan termal tidak dapat menyebabkan fluktuasi energi qubit. Fluktuasi seperti itu akan menjadi noise / kesalahan dalam qubit.

(Lihat pertanyaan Blue. Mengapa komputer kuantum optik tidak harus dijaga mendekati nol absolut sementara komputer kuantum superkonduktor melakukannya? Dan jawaban Daniel Sank untuk beberapa informasi tindak lanjut.)

Untuk memahami pertanyaan ini (dan kemungkinan jawabannya) dengan benar, kita perlu membahas beberapa konsep yang berkaitan dengan suhu dan hubungannya dengan keadaan kuantum. Karena saya pikir pertanyaan itu lebih masuk akal dalam keadaan solid , jawaban ini akan menganggap itulah yang sedang kita bicarakan.

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

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

$k$

${\varepsilon}_i$

Selain itu, kita perlu mempertimbangkan fonon , rangsangan kolektif dalam pengaturan atom atau molekul secara periodik dan elastis dalam materi terkondensasi. Ini sering kali merupakan pembawa energi ke dan dari qubit kita ke bagian padatan di mana kita tidak memiliki kontrol kuantum yang sangat baik dan karenanya dipanaskan: yang disebut pemandian termal .

Mengapa komputer kuantum harus beroperasi di bawah kondisi suhu ekstrem seperti itu?

Kita tidak pernah bisa sepenuhnya mengendalikan keadaan kuantum dari sekumpulan materi. Pada saat yang sama, kita memang perlu kontrol penuh atas keadaan kuantum komputer kuantum kita , yang berarti subset keadaan kuantum tempat informasi kita berada . Ini akan hidup dalam keadaan murni (termasuk superposisi kuantum), dikelilingi oleh lingkungan -terminalisasi yang berantakan.

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

$|0>$$|1>$

Jika sekarang Anda berpikir tentang fonon, ingat bahwa itu adalah rangsangan, yang membutuhkan energi, dan karenanya lebih berlimpah pada suhu tinggi. Dengan naiknya suhu, ada peningkatan jumlah fonon yang tersedia, dan mereka akan menghadirkan peningkatan energi, kadang-kadang memungkinkan untuk berinteraksi dengan berbagai jenis kegembiraan (mempercepat kinetika menuju termalisasi): pada akhirnya, mereka yang merusak komputer kuantum kita.

Apakah kebutuhan suhu yang sangat rendah sama untuk semua komputer kuantum, atau apakah itu berbeda menurut arsitektur?

Itu bervariasi, dan secara dramatis begitu. Dalam kondisi solid, itu tergantung pada energi negara yang membentuk qubit kita. Di luar kondisi solid, seperti yang ditunjukkan di atas dan dalam pertanyaan lanjutan ( Mengapa komputer kuantum optis tidak harus dijaga mendekati nol absolut sementara komputer kuantum superkonduktor melakukannya? ), Ini adalah cerita lain.

Apa yang terjadi jika mereka kepanasan?

Lihat di atas. Singkatnya: Anda kehilangan informasi kuantum Anda lebih cepat.