Süperiletken kuantum bilgisayarlar neden optik kuantum bilgisayarları mutlak sıfıra yakın tutmak zorunda kalmıyor?

Bu, @ heather'ın şu soruya verdiği cevabı takip eden bir soru: Kuantum bilgisayarlar neden mutlak sıfıra yakın tutulmalı?

Bildiklerim:

• Süperiletken kuantum hesaplama : Süperiletken bir elektronik devrede bir kuantum bilgisayar uygulamasıdır.

• Optik kuantum hesaplama : Kuantum bilgilerini işlemek için fotonları bilgi taşıyıcıları ve kuantum bilgilerini işlemek için doğrusal optik elemanları kullanır ve kuantum bilgilerini tespit etmek ve saklamak için foton dedektörleri ve kuantum bellekleri kullanır.

Daha sonra, Wikipedia'nın süper iletken kuantum hesaplama hakkında söylediği şey :

Klasik hesaplama modelleri, klasik mekanik yasalarına uygun fiziksel uygulamalara dayanır. Bununla birlikte, klasik tarifin sadece belirli durumlar için doğru olduğu, doğanın daha genel tarifinin kuantum mekaniği tarafından verildiği bilinmektedir. Kuantum hesaplama, klasik yaklaşımın ötesinde olan kuantum olaylarının bilgi işleme ve iletişim için uygulanmasını inceler. Çeşitli kuantum hesaplama modelleri vardır, ancak en popüler modeller kubit ve kuantum kapıları kavramlarını içerir. Bir kübit, bir bitin genelleştirilmesidir - her ikisinin de kuantum süperpozisyonunda olabilen iki olası duruma sahip bir sistem. Kuantum kapısı bir mantık kapısının genelleştirilmesidir: bir veya daha fazla kubitin, başlangıç ​​durumları göz önüne alındığında, kapı uygulandıktan sonra yaşayacağı dönüşümü açıklar. Kübitlerin ve kapıların fiziksel olarak uygulanması zordur, aynı nedenlerle kuantum olaylarının günlük yaşamda gözlemlenmesi zordur.Bir yaklaşım, kuantum bilgisayarları, kuantum etkilerinin makroskobik hale geldiği süperiletkenlere uygulamaktır, ancak son derece düşük çalışma sıcaklıkları pahasına.

Bu bir anlam ifade ediyor! Ancak, süper iletken kuantum bilgisayarların aksine optik kuantum bilgisayarların neden "aşırı düşük sıcaklıklara" ihtiyaç duymadığını araştırıyordum. Aynı problemden muzdarip değiller mi, yani optik kuantum bilgisayarlardaki kuantum fenomenlerini tıpkı süper iletken kuantum bilgisayarlarda olduğu gibi gözlemlemek zor değil mi? Kuantum etkileri bu tür bilgisayarlarda oda sıcaklığında zaten makroskopik midir? Neden öyle?

Vikipedi üzerinde Doğrusal optik kuantum hesaplama açıklamasını yapıyordum , ancak "sıcaklık" ile ilgili bir referans bulamadım.

Süper iletken kuantum bilgisayarların aksine optik kuantum bilgisayarların neden "aşırı düşük sıcaklıklara" ihtiyaç duymadığını araştırıyordum.

Süperiletken kübitler genellikle 4 GHz ila 10 GHz frekans aralığında çalışır. Bir geçiş frekansı ile ilişkili enerji $f_{10}$ kuantum mekaniği olan $E_{10} = h f_{10}$$h$ Planck sabittir. Termal enerji için qubit geçiş enerjisi karşılaştırılması $E_\text{thermal} = k_b T$ ( $k_b$ Boltzmann sabiti), biz qubit enerji termal enerji üzerinde olduğunu görüyoruz

Bu nedenle, yazabiliriz

Bu nedenle, 10 GHz'de en yüksek frekanslı süper iletken kubit için ihtiyacımız var$T < 0.48 \, \text{K}$

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

Aynı problemden muzdarip değiller mi, yani optik kuantum bilgisayarlardaki kuantum fenomenlerini tıpkı süper iletken kuantum bilgisayarlarda olduğu gibi gözlemlemek zor değil mi?

$^{[a]}$. Aslında, en iyi foto-dedektörlerin aslında kriyojenik ortamlarda çalıştırılması gerekir, bu nedenle kübitlerin kendilerinin çok yüksek frekansa sahip olmasına rağmen bazı optik kuantum hesaplama mimarileri kriyojenik soğutmaya ihtiyaç duyar.

Not: Bu cevap biraz genişletilebilir. Birisi hakkında daha fazla bilgi edinmek istediği belirli bir yönü varsa, lütfen bir yorum bırakın.

$[a]$

Çünkü ışık, doğru frekanslarda madde ile zayıf etkileşir. Kuantum rejiminde bu, tek fotonların, diğer kalite kontrol mimarilerinin önündeki temel engel olan gürültü ve özürlülükten büyük ölçüde arınmış olduğu anlamına gelir. Ortam sıcaklığı, bir fotonun kuantum durumunu madde tarafından (atomlar, iyonlar, elektronlar, süper iletken devreler vb.) Taşıdığı zamanki kadar rahatsız etmez. Örneğin, bağlantı olarak düşük yörünge uydusu kullanan Çin ve Avusturya arasında fotonik kubitlerin (daha doğrusu bir QKD protokolü) güvenilir bir şekilde iletilmesi yakın zamanda gösterildi (örneğin buraya bakınız ).

Ne yazık ki, ışık diğer ışıkla da son derece zayıf bir şekilde etkileşir (olduğu gibi, temelde öyle değildir). Birbirleriyle etkileşime girmeyen farklı fotonlar, optik kuantum hesaplamayı biraz zor yapan şeydir. Örneğin, kübitler farklı fotonlar tarafından taşındığında, iki-kubit kapıları gibi temel elemanlar, deneysel olarak uygulanması genellikle daha zor olan bir tür doğrusal olmayanlık gerektirir.

DanielSank doğru, ama bence cevap aslında daha da ince. Kayıp olmasaydı, arka plan radyasyonunun kuantum cihazınıza sızması da olmazdı. Başlangıçta termal olarak heyecanlansa bile, kübitlerin durumu aktif olarak sıfırlanabilir. Bu nedenle, mikrodalga kubitlerinin termal uyarımlarına ek olarak, bu kadar düşük sıcaklığa kadar soğutulmalarının temel nedeni, kuantum durumun yaşadığı malzemelerin dielektrik kaybıdır.

Hava optik fotonlara neredeyse hiç kayıp vermez, ancak elektrik devreleri kuantum bilgilerini taşıyan mikrodalga frekans plazmonlarını zayıflatır. Şimdiye kadar bu kayıplardan kurtulmanın tek yolu süperiletkenleri kullanmak ve buna ek olarak, süperiletkenlerin kritik sıcaklığından çok daha düşük kriyojenik sıcaklıklandırıcılara gitmek, ancak daha yüksek sıcaklıkları kullanamamanın temel bir nedeni yoktur. gelecekte, daha düşük kayıplı malzemeler kullanılabilir hale geldiğinde .