초전도 양자 컴퓨터가 광학 광 양자 컴퓨터를 절대 영도 근처에 유지할 필요가없는 이유는 무엇입니까?

이것은 질문에 대한 @heather의 대답 에 대한 후속 질문입니다. 왜 양자 컴퓨터를 절대 영 근처에 두어야합니까?

내가 아는데 것을:

초전도 양자 컴퓨팅 : 초전도 전자 회로에서 양자 컴퓨터의 구현입니다.
광 양자 컴퓨팅 : 광자를 정보 반송파로 사용하고 선형 광학 요소를 사용하여 양자 정보를 처리하고 광자 검출기와 양자 메모리를 사용하여 양자 정보를 감지하고 저장합니다.

다음으로, 이것은 Wikipedia가 초전도 양자 컴퓨팅에 대해 계속 말하는 것입니다 .

고전 계산 모델은 고전 역학의 법칙과 일치하는 물리적 구현에 의존합니다. 그러나, 전형적인 설명은 특정 경우에 대해서만 정확하고, 자연에 대한보다 일반적인 설명은 양자 역학에 의해 제공되는 것으로 알려져있다. 양자 계산은 정보 처리 및 통신을위한 고전 근사 범위를 벗어난 양자 현상의 적용을 연구합니다. 양자 계산의 다양한 모델이 존재하지만 가장 인기있는 모델은 큐 비트와 양자 게이트 개념을 통합합니다. 큐비 트는 비트의 일반화입니다. 두 가지 가능한 상태를 가진 시스템으로 양자 양자화가 가능합니다. 양자 게이트는 논리 게이트의 일반화입니다. 초기 상태에서 게이트가 적용된 후 하나 이상의 큐 비트가 경험하는 변환에 대해 설명합니다. 양자 현상이 일상 생활에서 관찰되기 어려운 것과 같은 이유로 큐 비트와 게이트의 물리적 구현은 어렵습니다.한 가지 방법은 초전도체에서 양자 컴퓨터를 구현하는 것인데,이 경우 초저 전도체는 양자 효과가 거시적으로 낮아 지지만 작동 온도는 매우 낮습니다.

이것은 의미가 있습니다! 그러나 초전도 양자 컴퓨터와 달리 광학 양자 컴퓨터에 "매우 낮은 온도"가 필요한 이유를 찾고있었습니다. 그들은 같은 문제를 겪지 않습니까? 즉 광학 양자 컴퓨터의 양자 현상이 초전도 양자 컴퓨터와 마찬가지로 관찰하기 어렵지 않습니까? 이러한 컴퓨터에서 양자 효과가 실온에서 이미 거시적인가? 왜 그래?

나는 Wikipedia 에서 Linear optical quantum computing에 대한 설명을 겪었 지만 "온도"에 대한 언급을 찾지 못했습니다.

— 산차 얀 두타
소스

답변:

나는 초전도 양자 컴퓨터와 달리 광학 양자 컴퓨터가 "매우 낮은 온도"를 필요로하지 않는 이유를 찾고있었습니다.

초전도 큐비 트는 일반적으로 4GHz ~ 10GHz의 주파수 범위에서 작동합니다. 양자 역학에서 전이 주파수 $f_{10}$ 과 관련된 에너지 는 $E_{10} = h f_{10}$ 이며 여기서 $h$ 는 플랑크 상수입니다. 큐 비트 전이 에너지와 열 에너지 $E_\text{thermal} = k_b T$ (여기서 $k_b$ 는 볼츠만 상수)와 비교하면 때 큐 비트 에너지가 열 에너지보다 높다는 것을 알 수 있습니다

{에프}_{10} > {케이}_{비} 티 / h .

$f_{10} > k_b T / h \, .$

Boltzmann과 Planck의 상수를 살펴보면

h / {케이}_{비} = 0.048 K / GHz .

$h/k_b = 0.048 \, \text{K / GHz} \, .$

따라서 우리는 쓸 수 있습니다

{에프}_{10} > 1 GHz \frac{티}{0.048 케이}

$f_{10} > 1 \, \text{GHz} \, \,\frac{T}{0.048 \, \text{K}}$

따라서 10GHz에서 최고 주파수 초전도 큐 비트를 위해서는 필요합니다. $T < 0.48 \, \text{K}$ 는 열 상호 작용으로 인해 큐 비트가 무작위로 여기되거나 비활성화되지 않을 가능성이 낮습니다. 이것이 초전도 큐 비트가 보통 ~ 15 밀리 켈빈의 희석 냉장고에서 작동하는 이유입니다. 물론, 우리는 금속 초전도를 얻을 수있을 정도로 온도가 낮아야하지만, 1K에서 발생하는 알루미늄의 경우 실제로 우리가 이미 언급 한 제약이 더 중요합니다.

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

그들은 같은 문제를 겪지 않습니까? 즉 광학 양자 컴퓨터의 양자 현상이 초전도 양자 컴퓨터와 마찬가지로 관찰하기 어렵지 않습니까?

$^{[a]}$ . 실제로, 최고의 광 검출기는 실제로 어쨌든 극저온 환경에서 작동해야하므로 일부 광양자 컴퓨팅 아키텍처는 큐 비트 자체의 주파수가 매우 높음에도 불구하고 극저온 냉동이 필요합니다.

추신이 답변은 상당히 확장 될 수 있습니다. 누군가 특정 측면을 알고 싶은 경우 의견을 남겨주세요.

$[a]$

— DanielSank
소스

좋은 대답입니다! 왜 광자가 온도에 대해 더 탄력적인지에 대한 당신의 주장과 관련하여, 아마도 광자에서 q 정보를 인코딩하는 가장 일반적인 방법은 "존재하지 않는"인코딩을 사용하지 않고 내부 자유도를 사용하는 것입니다. 어쨌든 많은 양자 광학 QC 프로토콜이 사후 선택에서 작동하기 때문에 이것은 특히 사실입니다. 이 추론은 감쇄 정도보다 감쇠 / 흡수 정도를 다루는 것 같습니다. 이런 종류의 논쟁은 광자의 수평 편광 상태와 수직 편광 상태 사이의 전환을 다룰 때 작동합니까?

— glS

@glS 광자 내부 자유도가 어느 정도 일반적인 지에 관계없이 확실히 사용되므로이 답을 확장해야합니다. 나는 당신의 대답 이이 시점에 닿는 것을 알고 있으며, 대답을 확장하기 위해 답을 편집 해야하는지, 아니면 내 자신의 버전을 여기에 추가 해야하는지 생각하고있었습니다.

— DanielSank

나는 그것이 추가가 무엇인지에 달려 있다고 생각합니다. 만약 당신이 광자의 내부 자유도 사이의 전환으로 당신의 활기찬 논쟁을 확장 할 수 있다면 그것은 아마도 당신의 대답에 더 잘 맞을 것입니다.

— glS

@glS 활기찬 논쟁은 인터넷 자유도에 실제로 효과가 없습니다. 상호 작용 강점에 대한 귀하의 답변이 더 관련이 있습니다. 내가 그것에 들어 가지 않은 유일한 이유는 이미 당신의 대답이 있다는 것입니다 :-)

— DanielSank

"비선형 결정의 과제는 매우 비효율적이라는 것입니다. 실제로는 상호 작용을 일으키는 비선형 공정을 수행하는 아주 적은 양의 광자 만이 온도와 무관합니까?"

— agaitaarino

올바른 주파수의 빛은 물질과 약하게 상호 작용하기 때문입니다. 양자 영역에서, 이것은 단일 광자가 다른 QC 아키텍처의 주요 장애물 인 노이즈와 디코 히 런스가 거의 없음을 의미합니다. 주변 온도는 양자 정보가 물질 (원자, 이온, 전자, 초전도 회로 등)에 의해 전달 될 때만 큼 광자의 양자 상태를 방해하지 않습니다. 예를 들어, 저궤도 위성을 링크로 사용하여 중국과 오스트리아 간의 광자 큐 비트 (보다 정확하게는 QKD 프로토콜)의 안정적인 전송이 최근에 시연되었습니다 (예 : 여기 참조 ).

불행히도, 빛은 다른 빛과 매우 약하게 상호 작용 합니다 (기본적으로는 그렇지 않습니다). 서로 상호 작용하지 않는 서로 다른 광자들은 광학 양자 계산을 다소 까다롭게 만듭니다. 예를 들어, 큐 비트가 다른 광자에 의해 운반 될 때 2- 큐 비트 게이트와 같은 기본 요소는 어떤 형태의 비선형 성을 요구하는데, 이는 일반적으로 실험적으로 구현하기 어렵다.

— glS
소스

DanielSank는 정확하지만 대답은 실제로 더 미묘하다고 생각합니다. 손실이 없다면, 배경 방사선이 양자 장치로 누출되는 방법도 없을 것입니다. 처음에 열적으로 여기 되었더라도 큐 비트의 상태를 적극적으로 재설정 할 수 있습니다. 따라서 극초단파 큐 비트의 열 여기 외에도 저온으로 냉각되는 근본적인 이유는 실제로 양자 상태가 존재하는 물질의 유전 손실입니다.

공기는 광학 광자에 거의 손실을주지 않지만 전기 회로는 양자 정보를 운반하는 마이크로파 주파수 플라즈몬을 약화시킵니다. 지금까지 이러한 손실을 제거하는 유일한 방법은 초전도체를 사용하는 것뿐만 아니라 초전도체의 임계 온도보다 훨씬 낮은 극저온 온도를 유지하는 것이지만 더 높은 온도를 사용할 수없는 근본적인 이유는 없습니다 앞으로는 손실이 적은 재료를 사용할 수있게 됩니다.

— 조후
소스