なぜ量子コンピューターを絶対零度に保つ必要があるのですか？

量子コンピューターのオンライン説明では、絶対ゼロ。$\left(0~\mathrm{K}~\text{or}~-273.15~{\left. {}^{\circ}\mathrm{C} \right.}\right)$

質問：

1. なぜ量子コンピューターは、このような極端な温度条件下で動作しなければならないのですか？

2. 極低温の必要性はすべての量子コンピューターで同じですか、それともアーキテクチャによって異なりますか？

3. 過熱するとどうなりますか？

^{出典：Youtube、D-Wave}

まず、すべてのシステムを絶対ゼロに近づける必要はありません。それはあなたの量子コンピューターの実現に依存します。たとえば、光量子コンピューターは絶対ゼロに近づける必要はありませんが、超伝導量子コンピューターは絶対ゼロに近づけます。したがって、2番目の質問に答えます。

最初の質問に答えるには、超伝導量子コンピューター（例えば）を低温に保ち、熱環境がキュービットのエネルギーの変動を引き起こさないようにする必要があります。このような変動は、キュービットのノイズ/エラーになります。

（超伝導量子コンピューターは絶対ゼロに近いのに、なぜ光量子コンピューターをゼロにする必要がないのかというブルーの質問と、フォローアップ情報に関するダニエル・サンクの答えをご覧ください。）

この質問（およびその可能な回答）を適切に理解するには、温度と量子状態との関係に関連するいくつかの概念を議論する必要があります。私は質問が固体状態でより理にかなっていると思うので、この答えはそれが我々が話していることであると仮定します。

まず第一に、私はボルツマンの分布について考えるのが便利だと思います：確率与える確率分布$p_i$$i$${\varepsilon}_i$$T$

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

$k$

統計力学によって定義される平衡状態にあるシステムでは、異なる量子状態の母集団はこの方程式によって支配されます（システムは熱的状態になります${\varepsilon}_i$

さらに、フォノン、凝縮物質中の原子または分子の周期的で弾性的な配置での集団励起を考慮する必要があります。これらは多くの場合、量子ビットとの間のエネルギーのキャリアであり、絶妙な量子制御がなく、したがって熱化される固体の部分、いわゆる熱浴への固体です。

なぜ量子コンピューターは、このような極端な温度条件下で動作しなければならないのですか？

固体の塊の量子状態を完全に制御することはできません。同時に、量子コンピューターの量子状態、つまり情報が存在する量子状態のサブセットを完全に制御する必要があります。これらは、無秩序な（熱化された）環境に囲まれた純粋な状態（量子重ね合わせを含む）で生きます。

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

運動学はしばしばモデル化するのが難しいですが、あなたはそれも知っています$|0>$$|1>$

フォノンについて考える場合、それらは励起であり、エネルギーを消費するため、高温ではより豊富であることを思い出してください。温度が上昇すると、利用可能なフォノンの数が増加し、それらはエネルギーの上昇を示し、異なる種類の励起との相互作用を可能にします（熱化に向けた動力学を加速します）：最終的に、私たちの量子コンピューターに有害なもの。

極低温の必要性はすべての量子コンピューターで同じですか、それともアーキテクチャによって異なりますか？

それはさまざまですが、劇的に異なります。固体状態内では、キュービットを構成する状態のエネルギーに依存します。上記およびフォローアップの質問で指摘したように、固体状態の外側（なぜ、超伝導量子コンピューターがそうであるのに光量子コンピューターを絶対零度に保つ必要がないのか？）、それはまったく別の話です。

過熱するとどうなりますか？

上記を参照。簡単に言うと、量子情報をより速く失います。