Чому квантові комп'ютери повинні утримуватися біля абсолютного нуля?

Інтернетні описи квантових комп'ютерів часто обговорюють, як їх потрібно тримати біля абсолютного нуля .$\left(0~\mathrm{K}~\text{or}~-273.15~{\left. {}^{\circ}\mathrm{C} \right.}\right)$

Запитання:

1. Чому квантові комп'ютери повинні працювати в таких екстремальних температурних умовах?

2. Чи потреба в надзвичайно низьких температурах однакова для всіх квантових комп'ютерів, чи відрізняється вона за архітектурою?

3. Що станеться, якщо вони перегріваються?

^{Джерела: Youtube , D-Wave}

Ну, по-перше, не всі системи повинні утримуватися біля абсолютного нуля. Це залежить від реалізації вашого квантового комп'ютера. Наприклад, оптичні квантові комп'ютери не повинні знаходитись біля абсолютного нуля, але це надпровідні квантові комп'ютери. Отже, це відповідає на ваше друге запитання.

Щоб відповісти на ваше перше запитання, надпровідні квантові комп'ютери (наприклад) повинні зберігатися при низьких температурах, щоб теплове середовище не могло викликати коливання енергій кубітів. Такі коливання будуть шумом / помилками в кубітах.

(Див. Запитання Блю. Чому оптичні квантові комп'ютери не повинні утримуватися поблизу абсолютного нуля, тоді як надпровідні квантові комп’ютери роблять? Та відповідь Деніела Санка на деяку подальшу інформацію.)

Щоб правильно зрозуміти це питання (та його можливі відповіді), нам необхідно обговорити пару понять, пов'язаних з температурою та її відношенням до квантових станів. Оскільки я думаю, що питання має більше сенсу в твердому стані , ця відповідь передбачає, що саме про це ми говоримо.

Для початку я вважаю корисним подумати про розподіл Больцмана: розподіл ймовірностей, який дає ймовірність що система опиниться у певному стані як функція енергії цього стану та температури системи :$p_i$$i$${\varepsilon}_i$$T$

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

де - постійна Больцмана.$k$

У системі, що перебуває в рівновазі , як визначено статистичною механікою, за цим рівнянням регулюється сукупність різних квантових станів (система буде у тепловому стані). Якщо ми думаємо про єдину квантову систему, а не про колекцію чи " ансамбль ", це розподіл сукупності відповідало б серії ваг у змішаному стані . У будь-якому випадку, це не умови, які потребують квантових обчислень , де в будь-який момент ми хочемо добре контролювати хвильову функцію. Однак зауважте, що ці ймовірності залежать від експоненціальної залежності від . Це буде важливо й надалі.${\varepsilon}_i$

Крім того, нам потрібно розглянути фонони , колективні збудження в періодичних, пружних розташуваннях атомів або молекул у конденсованій речовині. Вони часто є носіями енергії до та з наших кубітів у частину твердого тіла, де ми не маємо вишуканого квантового контролю, і тому термізовано: так звана теплова ванна .

Чому квантові комп'ютери повинні працювати в таких екстремальних температурних умовах?

Ми ніколи не можемо повністю контролювати квантовий стан твердого шматка речовини. У той же час нам потрібен повний контроль над квантовим станом нашого квантового комп'ютера , тобто підмножиною квантових станів, де знаходиться наша інформація . Вони житимуть у чистих станах (включаючи квантові суперпозиції) в оточенні невпорядкованого -термалізованого середовища.

Подумайте про описаний вище розподіл Больцмана та про експонентний термін. На практиці його рівняння означає, що ми можемо вважати коли співвідношення між температурою та енергією станів, які нас цікавлять (що часто означає стани, відповідні нашим кубітам), є таким, що .$p_i=0$${\varepsilon}_i<<kT$

Кінетику часто важко моделювати, але ви знаєте, що неминуче ваша система буде схильна до термізації . Отже, вам потрібно тримати свій квантовий комп'ютер якомога довше в такому стані, що єдиними збудженнями, які виникають, є ті, що відповідають квантовим станам та квантовим операціям, які є частиною вашого обчислення. Якщо температура твердого речовини, де живе квантова система, низька, вам потрібно лише турбуватися про те, щоб ваші кубіти безконтрольно розслаблялися до стану з низькою енергією (що досить погано). Якщо температура висока, вам також потрібно турбуватися про те, що ваші кубіти будуть безконтрольно збуджуватися до станів з вищою енергією. Неминуче, це також включає стани, які знаходяться за межами вашої обчислювальної бази, це означає, що для вашого стану кубіту не є ні ні$|0>$$|1>$ , ні будь-яка їх складна комбінація: важче виправити помилки.

Якщо ви зараз думаєте про фонони, згадайте, що вони є збудженнями, які коштують енергії, і, отже, є більш рясними при високій температурі. З підвищенням температури зростає кількість доступних фононів, і вони подаватимуть зростаючу енергію, іноді дозволяючи взаємодіяти з різними видами збудження (прискорюючи кінетику до термізації): врешті-решт, тими, які згубні для нашого квантового комп'ютера.

Чи потреба в надзвичайно низьких температурах однакова для всіх квантових комп'ютерів, чи відрізняється вона за архітектурою?

Це різниться, і це кардинально. У твердому стані це залежить від енергій станів, які складають наші кубіти. Поза твердим станом, як вказувалося вище та у подальшому питанні ( Чому оптичні квантові комп'ютери не повинні утримуватися поблизу абсолютного нуля, тоді як це надпровідні квантові комп'ютери? ), Це зовсім інша історія.

Що станеться, якщо вони перегріваються?

Дивись вище. Коротше кажучи: ви швидше втрачаєте свою квантову інформацію.