Por que os computadores quânticos devem ser mantidos próximos ao zero absoluto?

As descrições on-line de computadores quânticos discutem frequentemente como eles devem ser mantidos próximos ao zero absoluto .$\left(0~\mathrm{K}~\text{or}~-273.15~{\left. {}^{\circ}\mathrm{C} \right.}\right)$

Questões:

1. Por que os computadores quânticos devem operar sob condições extremas de temperatura?

2. A necessidade de temperaturas extremamente baixas é a mesma para todos os computadores quânticos ou varia de acordo com a arquitetura?

3. O que acontece se eles superaquecerem?

^{Fontes: Youtube , D-Wave}

Bem, primeiro, nem todos os sistemas devem ser mantidos próximos ao zero absoluto. Depende da realização do seu computador quântico. Por exemplo, os computadores quânticos ópticos não precisam ser mantidos próximos ao zero absoluto, mas os computadores quânticos supercondutores. Então, isso responde à sua segunda pergunta.

Para responder à sua primeira pergunta, os computadores quânticos supercondutores (por exemplo) devem ser mantidos a baixas temperaturas, para que o ambiente térmico não possa induzir flutuações nas energias dos qubits. Tais flutuações seriam ruídos / erros nos qubits.

(Veja a pergunta de Blue Por que os computadores quânticos ópticos não precisam ser mantidos perto de zero absoluto, enquanto os computadores quânticos supercondutores o fazem? E a resposta de Daniel Sank para obter algumas informações adicionais).

Para entender essa pergunta (e suas possíveis respostas) corretamente, precisamos discutir alguns conceitos relacionados à temperatura e sua relação com os estados quânticos. Como acho que a pergunta faz mais sentido no estado sólido , essa resposta assume que é disso que estamos falando.

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

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

$k$

${\varepsilon}_i$

Além disso, precisamos considerar os fônons , as excitações coletivas em arranjos elásticos periódicos de átomos ou moléculas na matéria condensada. Esses são frequentemente os portadores de energia de e para nossos qubits na parte do sólido, onde não temos um controle quântico requintado e, portanto, é térmicoizado: o chamado banho termal .

Por que os computadores quânticos devem operar sob condições extremas de temperatura?

Nunca podemos controlar completamente o estado quântico de um pedaço sólido de matéria. Ao mesmo tempo, precisamos de controle total sobre o estado quântico de nosso computador quântico , ou seja, o subconjunto de estados quânticos em que nossas informações residem . Eles viverão em estados puros (incluindo superposições quânticas), cercados por um ambiente desordenado e desnaturado.

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

$|0>$$|1>$

Se você pensa agora nos fônons, lembre-se de que são excitações, que custam energia e, portanto, são mais abundantes em altas temperaturas. Com o aumento da temperatura, há um número crescente de fônons disponíveis, e eles apresentam energias crescentes, às vezes permitindo a interação com diferentes tipos de excitações (acelerando a cinética em direção à termização): eventualmente, aqueles que são prejudiciais ao nosso computador quântico.

A necessidade de temperaturas extremamente baixas é a mesma para todos os computadores quânticos ou varia de acordo com a arquitetura?

Varia, e dramaticamente. Dentro do estado sólido, depende das energias dos estados que constituem nossos qubits. Fora do estado sólido, como apontado acima e em uma pergunta de acompanhamento ( por que os computadores quânticos ópticos não precisam ser mantidos perto de zero absoluto, enquanto os computadores quânticos supercondutores o fazem? ), É outra história.

O que acontece se eles superaquecerem?

Veja acima. Em poucas palavras: você perde suas informações quânticas mais rapidamente.