Warum müssen optische Quantencomputer nicht nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden, während supraleitende Quantencomputer dies tun?

Dies ist eine Folgefrage zu @ heathers Antwort auf die Frage: Warum müssen Quantencomputer nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden?

Was ich weiß:

• Supraleitendes Quantencomputing : Dies ist eine Implementierung eines Quantencomputers in einer supraleitenden elektronischen Schaltung.

• Optisches Quantencomputing : Verwendet Photonen als Informationsträger und lineare optische Elemente zur Verarbeitung von Quanteninformationen sowie Photonendetektoren und Quantenspeicher zur Erkennung und Speicherung von Quanteninformationen.

Das ist es, was Wikipedia über supraleitendes Quantencomputing sagt :

Klassische Rechenmodelle beruhen auf physikalischen Implementierungen, die den Gesetzen der klassischen Mechanik entsprechen. Es ist jedoch bekannt, dass die klassische Beschreibung nur für bestimmte Fälle zutreffend ist, während die allgemeinere Beschreibung der Natur durch die Quantenmechanik gegeben ist. Die Quantenberechnung untersucht die Anwendung von Quantenphänomenen, die über die klassische Approximation hinausgehen, für die Informationsverarbeitung und -kommunikation. Es gibt verschiedene Modelle für die Quantenberechnung. Die beliebtesten Modelle enthalten jedoch die Konzepte von Qubits und Quantentoren. Ein Qubit ist eine Verallgemeinerung eines Bits - ein System mit zwei möglichen Zuständen, die sich in einer Quantenüberlagerung von beiden befinden können. Ein Quantentor ist eine Verallgemeinerung eines Logikgatters: es beschreibt die Transformation, die ein oder mehrere Qubits erfahren, nachdem das Gate auf sie angewendet wurde, wenn ihr Anfangszustand gegeben ist. Die physikalische Implementierung von Qubits und Gattern ist aus den gleichen Gründen schwierig, wie Quantenphänomene im täglichen Leben schwer zu beobachten sind.Ein Ansatz besteht darin, die Quantencomputer in Supraleitern zu implementieren, bei denen die Quanteneffekte makroskopisch werden, wenn auch zu einem Preis von extrem niedrigen Betriebstemperaturen.

Das ergibt doch einen Sinn! Ich war jedoch auf der Suche nach dem Grund, warum optische Quantencomputer im Gegensatz zu supraleitenden Quantencomputern keine "extrem niedrigen Temperaturen" benötigen. Leiden sie nicht unter demselben Problem, dh sind die Quantenphänomene in optischen Quantencomputern nicht genauso schwer zu beobachten wie bei supraleitenden Quantencomputern? Sind die Quanteneffekte in solchen Computern bereits bei Raumtemperaturen makroskopisch? Warum so?

Ich habe die Beschreibung des linearen optischen Quantencomputers in Wikipedia durchgearbeitet , aber keinen Hinweis auf "Temperatur" als solche gefunden.

Ich suchte nach dem Grund, warum optische Quantencomputer im Gegensatz zu supraleitenden Quantencomputern keine "extrem niedrigen Temperaturen" benötigen.

$f_{10}$$E_{10} = h f_{10}$$h$$E_\text{thermal} = k_b T$$k_b$

Daher können wir schreiben

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

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

Leiden sie nicht unter demselben Problem, dh sind die Quantenphänomene in optischen Quantencomputern nicht genauso schwer zu beobachten wie bei supraleitenden Quantencomputern?

Nun, die Schwierigkeiten zwischen supraleitenden Quantencomputern und optischen Quantencomputern sind $^{[a]}$. Tatsächlich müssen die besten Fotodetektoren ohnehin in kryogenen Umgebungen betrieben werden, sodass einige Architekturen für optische Quantencomputer trotz der Tatsache, dass die Qubits selbst eine sehr hohe Frequenz aufweisen, eine kryogene Kühlung benötigen.

PS Diese Antwort könnte einiges erweitert werden. Wenn jemand einen bestimmten Aspekt hat, über den er mehr wissen möchte, hinterlasse bitte einen Kommentar.

$[a]$: Dunkle Zählung bedeutet, dass ein Photodetektor glaubt, ein Photon gesehen zu haben, obwohl es wirklich keines gab. Mit anderen Worten, ist es nicht die Rate, mit der der Detektor Photonen zählt, wenn er im Dunkeln liegt?

Weil Licht mit den richtigen Frequenzen schwach mit Materie interagiert. Im Quantenregime bedeutet dies, dass einzelne Photonen weitgehend frei von Rauschen und Dekohärenz sind, was das Haupthindernis für andere QC-Architekturen darstellt. Die Umgebungstemperatur stört den Quantenzustand eines Photons nicht so sehr wie die Quanteninformation, die von Materie (Atomen, Ionen, Elektronen, supraleitenden Schaltkreisen usw.) getragen wird. Beispielsweise wurde kürzlich die zuverlässige Übertragung von photonischen Qubits (genauer gesagt ein QKD-Protokoll) zwischen China und Österreich unter Verwendung eines Satelliten mit niedriger Umlaufbahn als Verbindung demonstriert (siehe z . B. hier ).

Leider interagiert Licht auch extrem schwach (wie es im Grunde nicht der Fall ist) mit anderem Licht. Verschiedene Photonen, die nicht miteinander interagieren, machen die optische Quantenberechnung etwas schwierig. Beispielsweise erfordern Grundelemente wie Zwei-Qubit-Gatter, wenn die Qubits von verschiedenen Photonen getragen werden, eine Form von Nichtlinearität, die im Allgemeinen schwieriger experimentell zu implementieren ist.

DanielSank ist richtig, aber ich denke, die Antwort ist tatsächlich noch subtiler. Wenn es keinen Verlust gäbe, würde auch die Hintergrundstrahlung nicht in Ihr Quantengerät eindringen. Selbst wenn es anfangs thermisch angeregt war, konnte man den Zustand der Qubits aktiv zurücksetzen. Der Hauptgrund für die Abkühlung von Mikrowellen-Qubits auf so niedrige Temperaturen ist also neben der thermischen Anregung der dielektrische Verlust der Materialien, in denen der Quantenzustand lebt.

Luft verursacht für optische Photonen fast keinen Verlust, aber die elektrischen Schaltkreise dämpfen die Mikrowellenfrequenzplasmonen, die die Quanteninformation tragen. Bisher ist die einzige Möglichkeit, diese Verluste zu beseitigen, die Verwendung von Supraleitern und darüber hinaus die Verwendung von Tieftemperaturen, die weit unter der kritischen Temperatur der Supraleiter liegen. Es gibt jedoch keine fundamentalen Gründe, warum höhere Temperaturen nicht verwendet werden können in zukunft werden materialien mit geringerem verlust zur verfügung stehen .