Чому оптичні квантові комп'ютери не повинні утримуватися поблизу абсолютного нуля, тоді як надпровідні квантові комп'ютери роблять?

Це додаткове запитання до відповіді @ heather на питання: Чому квантові комп'ютери повинні бути майже абсолютними нулями?

Що я знаю:

• Надпровідні квантові обчислення : це реалізація квантового комп'ютера у надпровідній електронній схемі.

• Оптичні квантові обчислення : він використовує фотони як носії інформації, а лінійні оптичні елементи для обробки квантової інформації, а також використовує детектори фотонів і квантову пам'ять для виявлення та зберігання квантової інформації.

Далі, у Вікіпедії йдеться про надпровідні квантові обчислення :

Класичні обчислювальні моделі спираються на фізичні реалізації, що відповідають законам класичної механіки. Однак відомо, що класичний опис точний лише для конкретних випадків, тоді як більш загальний опис природи дає квантова механіка. Квантове обчислення вивчає застосування квантових явищ, що виходять за рамки класичного наближення, для обробки інформації та комунікації. Існують різні моделі квантових обчислень, проте найпопулярніші моделі містять поняття кубітів та квантових воріт. Кубіт - це узагальнення біта - системи з двома можливими станами, які можуть бути в квантовому суперпозиції обох. Квантовий затвор - це узагальнення логічних воріт: він описує перетворення, яке один або кілька кубітів будуть переживати після того, як на них буде застосовано затвор, враховуючи їх початковий стан. Фізична реалізація кубітів та воріт утруднена з тих самих причин, що в повсякденному житті важко спостерігати квантові явища.Один із підходів полягає у впровадженні квантових комп'ютерів у надпровідниках, де квантові ефекти стають макроскопічними, хоча за ціною надзвичайно низьких робочих температур.

Це має певний сенс! Однак я шукав, чому оптичним квантовим комп'ютерам не потрібні "надзвичайно низькі температури" на відміну від надпровідних квантових комп'ютерів. Хіба вони не страждають від тієї ж проблеми, тобто чи не важко спостерігати квантові явища в оптичних квантових комп'ютерах так само, як для надпровідних квантових комп'ютерів? Чи є квантові ефекти вже макроскопічними при кімнатній температурі в таких комп’ютерах? Чому так?

Я переглядав опис лінійних оптичних квантових обчислень у Вікіпедії , але не знайшов посилання на "температуру" як таку.

Я шукав, чому оптичним квантовим комп'ютерам не потрібні "надзвичайно низькі температури" на відміну від надпровідних квантових комп'ютерів.

Надпровідні кубіти зазвичай працюють в діапазоні частот від 4 ГГц до 10 ГГц. Енергія, пов'язана з частотою переходу $f_{10}$ в квантовій механіці, є $E_{10} = h f_{10}$ де $h$ - константа Планка. Порівнюючи енергію переходу кубіта з тепловою енергією $E_\text{thermal} = k_b T$ (де $k_b$ - постійна Больцмана), ми бачимо, що енергія кубіта вище теплової енергії при

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

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

Хіба вони не страждають від тієї ж проблеми, тобто чи не важко спостерігати квантові явища в оптичних квантових комп'ютерах так само, як для надпровідних квантових комп'ютерів?

$^{[a]}$. Насправді найкращі фотодетектори фактично потребують експлуатації в кріогенних середовищах, тому деякі оптичні архітектури квантових обчислень потребують кріогенного охолодження, незважаючи на те, що самі кубіти мають дуже високу частоту.

PS Цю відповідь можна було би розширити досить небагато. Якщо хтось має певний аспект, про який він хотів би дізнатися більше, будь ласка, залиште коментар.

$[a]$: Темний підрахунок означає, що фотоприймач думає, що побачив фотон, хоча насправді його не було. Іншими словами, чи не швидкість, яку детектор підраховує фотонами, коли його в темряві.

Тому що світло на потрібних частотах слабо взаємодіє з матерією. У квантовому режимі це означає, що поодинокі фотони значною мірою не містять шуму та декогерентності, що є основною перешкодою для інших архітектур QC. Навколишня температура не так сильно порушує квантовий стан фотона, як це робить, коли квантова інформація переноситься речовиною (атомами, іонами, електронами, надпровідними ланцюгами тощо). Наприклад, нещодавно була продемонстрована надійна передача фотонних кубітів (точніше, протокол QKD) між Китаєм та Австрією, використовуючи супутник низької орбіти в якості посилання (див., Наприклад, тут ).

На жаль, світло також взаємодіє вкрай слабко (як, в основному, не) з іншим світлом. Різні фотони, що не взаємодіють один з одним, - це робить оптичні квантові обчислення дещо складними. Наприклад, базові елементи, такі як двоквартитні ворота, коли кубіти переносяться різними фотонами, вимагають певної форми нелінійності, яку загалом важче здійснити експериментально.

DanielSank вірна, але я думаю, що відповідь насправді ще більш тонка. Якби не було збитків, також не було б способу випромінювання фону в ваше квантове пристрій. Навіть якщо він спочатку був термічно збуджений, можна було активно скинути стан кубітів. Таким чином, крім теплових збуджень мікрохвильових кубітів, основна причина їх охолодження до настільки низької температури - це дійсно діелектричні втрати матеріалів, в яких живе квантовий стан.

Повітря майже не втрачає оптичних фотонів, але електричні ланцюги послаблюють плазмони частоти НВЧ, що несуть квантову інформацію. Поки єдиним способом позбутися цих втрат є використання надпровідників і, крім того, перехід до кріогенних температур, значно нижчих за критичну температуру надпровідників, але немає принципових причин того, щоб не мати можливості використовувати більш високі температури в майбутньому, як тільки матеріали з меншими втратами стануть доступними .