Pourquoi les ordinateurs quantiques doivent-ils être maintenus près du zéro absolu?

Les descriptions en ligne des ordinateurs quantiques expliquent souvent comment ils doivent être maintenus près du zéro absolu .$\left(0~\mathrm{K}~\text{or}~-273.15~{\left. {}^{\circ}\mathrm{C} \right.}\right)$

Des questions:

1. Pourquoi les ordinateurs quantiques doivent-ils fonctionner dans des conditions de température aussi extrêmes?

2. Le besoin de températures extrêmement basses est-il le même pour tous les ordinateurs quantiques, ou varie-t-il selon l'architecture?

3. Que se passe-t-il en cas de surchauffe?

^{Sources: Youtube , D-Wave}

Eh bien, tout d'abord, tous les systèmes ne doivent pas être maintenus près du zéro absolu. Cela dépend de la réalisation de votre ordinateur quantique. Par exemple, les ordinateurs quantiques optiques n'ont pas besoin d'être maintenus près du zéro absolu, contrairement aux ordinateurs quantiques supraconducteurs. Donc, cela répond à votre deuxième question.

Pour répondre à votre première question, les ordinateurs quantiques supraconducteurs (par exemple) doivent être maintenus à basses températures afin que l'environnement thermique ne puisse induire des fluctuations dans les énergies des qubits. De telles fluctuations seraient du bruit / des erreurs dans les qubits.

(Voir la question de Blue Pourquoi les ordinateurs quantiques optiques ne doivent-ils pas être maintenus près du zéro absolu alors que les ordinateurs quantiques supraconducteurs le font? Et la réponse de Daniel Sank pour des informations de suivi.)

Pour bien comprendre cette question (et ses réponses possibles), nous devons discuter de quelques concepts liés à la température et à sa relation avec les états quantiques. Puisque je pense que la question a plus de sens à l' état solide , cette réponse supposera que c'est de cela que nous parlons.

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

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

$k$

${\varepsilon}_i$

De plus, nous devons considérer les phonons , les excitations collectives dans les arrangements périodiques et élastiques des atomes ou des molécules dans la matière condensée. Ce sont souvent les vecteurs d'énergie de et vers nos qubits vers la partie du solide où nous n'avons pas un contrôle quantique exquis et qui est donc thermisé: le soi-disant bain thermal .

Pourquoi les ordinateurs quantiques doivent-ils fonctionner dans des conditions de température aussi extrêmes?

Nous ne pouvons jamais contrôler complètement l'état quantique d'un morceau solide de matière. Dans le même temps, nous avons besoin d'un contrôle total sur l'état quantique de notre ordinateur quantique , c'est -à- dire le sous-ensemble d'états quantiques où réside notre information . Celles-ci vivront dans des états purs (y compris des superpositions quantiques), entourées d'un environnement désordonné-thermalisé.

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

$|0>$$|1>$

Si vous pensez maintenant aux phonons, rappelez-vous que ce sont des excitations, qui coûtent de l'énergie, et sont donc plus abondantes à haute température. Avec l'augmentation des températures, il y a un nombre croissant de phonons disponibles, et ils présenteront des énergies croissantes, permettant parfois une interaction avec différents types d'excitations (accélérant la cinétique vers la thermalisation): finalement, celles qui sont préjudiciables à notre ordinateur quantique.

Le besoin de températures extrêmement basses est-il le même pour tous les ordinateurs quantiques, ou varie-t-il selon l'architecture?

Cela varie, et de façon spectaculaire. Au sein de l'état solide, cela dépend des énergies des états qui constituent nos qubits. En dehors de l'état solide, comme indiqué ci-dessus et dans une question de suivi ( pourquoi les ordinateurs quantiques optiques ne doivent-ils pas être maintenus proches du zéro absolu alors que les ordinateurs quantiques supraconducteurs le font? ), C'est une toute autre histoire.

Que se passe-t-il en cas de surchauffe?

Voir au dessus. En un mot: vous perdez vos informations quantiques plus rapidement.