Warum müssen Quantencomputer nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden?

Online - Beschreibungen von Quantencomputern diskutieren häufig, wie sie nahe dem absoluten Nullpunkt .$\left(0~\mathrm{K}~\text{or}~-273.15~{\left. {}^{\circ}\mathrm{C} \right.}\right)$

Fragen:

1. Warum müssen Quantencomputer unter solch extremen Temperaturbedingungen arbeiten?

2. Ist der Bedarf an extrem niedrigen Temperaturen für alle Quantencomputer gleich oder variiert er je nach Architektur?

3. Was passiert bei Überhitzung?

^{Quellen: Youtube , D-Wave}

Zunächst müssen nicht alle Systeme nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden. Es hängt von der Realisierung Ihres Quantencomputers ab. Beispielsweise müssen optische Quantencomputer nicht nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden, supraleitende Quantencomputer jedoch. Das beantwortet also Ihre zweite Frage.

Um Ihre erste Frage zu beantworten, müssen beispielsweise supraleitende Quantencomputer auf niedrigen Temperaturen gehalten werden, damit die thermische Umgebung keine Schwankungen der Qubit-Energien hervorrufen kann. Solche Schwankungen wären Rauschen / Fehler in den Qubits.

(Siehe die Frage von Blue, warum optische Quantencomputer nicht nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden müssen, während supraleitende Quantencomputer dies tun? )

Um diese Frage (und ihre möglichen Antworten) richtig zu verstehen, müssen wir einige Konzepte diskutieren, die sich auf die Temperatur und ihre Beziehung zu Quantenzuständen beziehen . Da ich denke, dass die Frage im Festkörper sinnvoller ist , wird diese Antwort davon ausgehen, dass es das ist, worüber wir sprechen.

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

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

$k$ die Boltzmannsche Konstante ist.

In einem System, das sich im Gleichgewicht befindet , wie es durch die statistische Mechanik definiert ist, wird die Population der verschiedenen Quantenzustände durch diese Gleichung bestimmt (das System befindet sich in einem thermischen System)${\varepsilon}_i$

Zusätzlich müssen wir Phononen betrachten , die kollektiven Anregungen in periodischen, elastischen Anordnungen von Atomen oder Molekülen in kondensierter Materie. Dies sind oft die Energieträger zu und von unseren Qubits in den Teil des Festkörpers, in dem wir keine exquisite Quantenkontrolle haben und der deshalb thermisch aktiviert wird: das sogenannte Thermalbad .

Warum müssen Quantencomputer unter solch extremen Temperaturbedingungen arbeiten?

Wir können den Quantenzustand eines festen Materiestücks niemals vollständig kontrollieren. Gleichzeitig benötigen wir die volle Kontrolle über den Quantenzustand unseres Quantencomputers , dh die Teilmenge der Quantenzustände, in denen sich unsere Informationen befinden . Diese werden in reinen Zuständen (einschließlich Quantenüberlagerungen) leben, die von einer ungeordneten thermisierten Umgebung umgeben sind.

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

$|0>$$|1>$

Wenn Sie jetzt an die Phononen denken, erinnern Sie sich, dass es sich um Erregungen handelt, die Energie kosten und daher bei hohen Temperaturen häufiger auftreten. Mit steigenden Temperaturen steigt die Anzahl der verfügbaren Phononen, und sie weisen steigende Energien auf, die manchmal Wechselwirkungen mit verschiedenen Arten von Anregungen ermöglichen (Beschleunigung der Kinetik in Richtung Thermalisierung): letztendlich mit solchen, die für unseren Quantencomputer schädlich sind.

Ist der Bedarf an extrem niedrigen Temperaturen für alle Quantencomputer gleich oder variiert er je nach Architektur?

Es ist sehr unterschiedlich und dramatisch. Innerhalb des Festkörpers hängt es von den Energien der Zustände ab, die unsere Qubits ausmachen. Außerhalb des Festkörpers ist es, wie oben und in einer anschließenden Frage ( Warum müssen optische Quantencomputer nicht in der Nähe des absoluten Nullpunkts gehalten werden, während supraleitende Quantencomputer dies tun ), eine ganz andere Geschichte.

Was passiert bei Überhitzung?

Siehe oben. Kurz gesagt: Sie verlieren Ihre Quanteninformationen schneller.