Tại sao máy tính lượng tử phải được giữ gần bằng không?

Mô tả trực tuyến về máy tính lượng tử thường thảo luận về cách chúng phải được giữ gần 0 tuyệt đối .$\left(0~\mathrm{K}~\text{or}~-273.15~{\left. {}^{\circ}\mathrm{C} \right.}\right)$

Câu hỏi:

1. Tại sao máy tính lượng tử phải hoạt động trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt như vậy?

2. Là nhu cầu về nhiệt độ cực thấp giống nhau cho tất cả các máy tính lượng tử, hay nó thay đổi theo kiến ​​trúc?

3. Điều gì xảy ra nếu họ quá nóng?

^{Nguồn: Youtube , D-Wave}

Vâng, đầu tiên, không phải tất cả các hệ thống phải được giữ gần như bằng không. Nó phụ thuộc vào việc thực hiện máy tính lượng tử của bạn. Ví dụ, máy tính lượng tử quang không cần phải giữ gần bằng không, nhưng máy tính lượng tử siêu dẫn thì có. Vì vậy, đó trả lời câu hỏi thứ hai của bạn.

Để trả lời câu hỏi đầu tiên của bạn, máy tính lượng tử siêu dẫn (ví dụ) phải được giữ ở nhiệt độ thấp để môi trường nhiệt không thể tạo ra sự dao động trong năng lượng của qubit. Biến động như vậy sẽ là tiếng ồn / lỗi trong qubit.

(Xem câu hỏi của Blue Tại sao máy tính lượng tử quang không phải được giữ gần như bằng không trong khi máy tính lượng tử siêu dẫn làm gì? Và câu trả lời của Daniel Sank cho một số thông tin theo dõi.)

Để hiểu đúng câu hỏi này (và câu trả lời có thể có của nó), chúng ta cần thảo luận một vài khái niệm liên quan đến nhiệt độ và mối quan hệ của nó với các trạng thái lượng tử. Vì tôi nghĩ rằng câu hỏi có ý nghĩa hơn ở trạng thái rắn , câu trả lời này sẽ cho rằng đó là những gì chúng ta đang nói.

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

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

$k$

${\varepsilon}_i$

Ngoài ra, chúng ta cần xem xét các phonon , các kích thích tập thể trong các sắp xếp đàn hồi hoặc định kỳ của các nguyên tử hoặc phân tử trong vật chất ngưng tụ. Đây thường là những vật mang năng lượng đến và từ các qubit của chúng ta thành một phần của vật rắn nơi chúng ta không có sự kiểm soát lượng tử tinh tế và do đó được nhiệt hóa: cái gọi là bể nhiệt .

Tại sao máy tính lượng tử phải hoạt động trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt như vậy?

Chúng ta không bao giờ có thể kiểm soát hoàn toàn trạng thái lượng tử của một khối vật chất rắn. Đồng thời, chúng ta cần kiểm soát hoàn toàn trạng thái lượng tử của máy tính lượng tử của chúng ta , nghĩa là tập hợp con của các trạng thái lượng tử nơi thông tin của chúng ta cư trú . Chúng sẽ sống ở các trạng thái tinh khiết (bao gồm cả chồng chất lượng tử), được bao quanh bởi một môi trường bị rối loạn nhiệt hóa.

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

$|0>$$|1>$

Nếu bây giờ bạn nghĩ về các phonon, hãy nhớ rằng chúng là những kích thích, tiêu tốn năng lượng và do đó có nhiều hơn ở nhiệt độ cao. Với nhiệt độ tăng, số lượng phonon có sẵn tăng lên và chúng sẽ tạo ra năng lượng tăng, đôi khi cho phép tương tác với các loại kích thích khác nhau (tăng tốc động học đối với nhiệt): cuối cùng, những chất gây bất lợi cho máy tính lượng tử của chúng ta.

Là nhu cầu về nhiệt độ cực thấp giống nhau cho tất cả các máy tính lượng tử, hay nó thay đổi theo kiến ​​trúc?

Nó khác nhau, và đáng kể như vậy. Trong trạng thái rắn, nó phụ thuộc vào năng lượng của các trạng thái cấu thành nên các qubit của chúng ta. Bên ngoài trạng thái rắn, như đã chỉ ra ở trên và trong một câu hỏi tiếp theo ( Tại sao máy tính lượng tử quang không phải được giữ gần như bằng không trong khi máy tính lượng tử siêu dẫn làm gì? ), Đó là một câu chuyện hoàn toàn khác.

Điều gì xảy ra nếu họ quá nóng?

Xem ở trên. Tóm lại: bạn mất thông tin lượng tử nhanh hơn.