为什么量子计算机必须保持在绝对零附近？

14

量子计算机的在线描述经常讨论如何将它们保持在绝对零附近。 $\left(0~\mathrm{K}~\text{or}~-273.15~{\left. {}^{\circ}\mathrm{C} \right.}\right)$

问题：

^{资料来源：Youtube，D-Wave}

physical-realization architecture experiment

— DIDIx13
source

14

好吧，首先，不是所有系统都必须保持绝对零附近。这取决于您的量子计算机的实现。例如，光量子计算机不需要保持在绝对零附近，而超导量子计算机则需要保持在绝对零附近。因此，这回答了您的第二个问题。

为了回答您的第一个问题，超导量子计算机（例如）必须保持在低温下，以便热环境不会引起量子位能量的波动。这样的波动将是量子位中的噪声/错误。

— 希瑟
source

2

为了正确理解这个问题（及其可能的答案），我们需要讨论一些与温度有关的概念及其与量子态的关系。由于我认为这个问题在固态下更有意义，因此该答案将假定这就是我们在谈论的内容。

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

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

$k$

${\varepsilon}_i$

另外，我们需要考虑声子，即凝聚态原子或分子的周期性弹性排列中的集体激发。这些通常是能量进出我们量子位到固体部分的能量载体，在那里我们没有精确的量子控制，因此被热化了：所谓的热浴。

为什么量子计算机必须在如此极端的温度条件下运行？

我们永远无法完全控制固体物质的量子状态。与此同时，我们也需要对我们的量子计算机的量子态的完全控制，这意味着量子态在那里我们的信息所在的子集。它们将生活在纯状态（包括量子叠加）中，并被无序的热环境包围。

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

$|0>$ $|1>$

如果现在考虑声子，请回想一下它们是激发，它消耗能量，因此在高温下更为丰富。随着温度的升高，可用声子的数量也在增加，它们将呈现出不断增加的能量，有时还允许与不同种类的激发相互作用（加速向热化的动力学）：最终，那些有害于我们的量子计算机。

所有量子计算机对极端低温的需求是否都一样，还是随架构而变化？

它的确变化很大，而且变化很大。在固态中，它取决于构成我们量子位的态的能量。如上所述，在固态之外，还有一个后续问题（为什么超导量子计算机不必将光量子计算机保持在绝对零附近？），这又是另一回事了。

如果过热，会发生什么？

往上看。简而言之：您会更快地丢失量子信息。

— agaitaarino
source