超伝導量子コンピューターがそうであるのに、なぜ光量子コンピューターは絶対零度近くに保たれる必要がないのですか？

これは、@ heatherの質問に対する回答のフォローアップの質問です。なぜ量子コンピューターを絶対ゼロに近づけなければならないのですか？

私が知っていること：

超伝導量子コンピューティング：超伝導電子回路における量子コンピューターの実装です。
光量子コンピューティング：情報キャリアとして光子を使用し、量子情報を処理するために線形光学素子を使用し、量子情報を検出および保存するために光子検出器と量子メモリを使用します。

次に、これがウィキペディアが超伝導量子コンピューティングについて続けていることです。

古典的な計算モデルは、古典的な力学の法則と一致する物理的な実装に依存しています。しかし、古典的な記述は特定の場合にのみ正確であり、自然のより一般的な記述は量子力学によって与えられることが知られています。量子計算では、古典的な近似の範囲を超える量子現象の情報処理および通信への応用を研究しています。量子計算のさまざまなモデルが存在しますが、最も一般的なモデルにはキュービットと量子ゲートの概念が組み込まれています。量子ビットはビットの一般化であり、2つの可能な状態を持つシステムであり、両方の状態の量子重ね合わせになります。量子ゲートは、論理ゲートの一般化です：それは、初期状態が与えられると、ゲートが適用された後に1つ以上のキュービットが経験する変換を記述します。量子現象が日常生活で観察するのが難しいのと同じ理由で、量子ビットとゲートの物理的な実装は困難です。1つのアプローチは、超伝導体に量子コンピューターを実装することです。超伝導体では、動作温度が非常に低くなりますが、量子効果が巨視的になります。

これは理にかなっています！しかし、超伝導量子コンピューターとは異なり、なぜ光量子コンピューターが「極低温」を必要としないのかを探していました。彼らは同じ問題に苦しんでいませんか？すなわち、光量子コンピューターの量子現象は、超伝導量子コンピューターのように観察するのが難しいのではないでしょうか？そのようなコンピューターでは、室温で量子効果はすでに巨視的ですか？なぜそうなのか？

Wikipediaで線形光量子コンピューティングの説明を行っていましたが、「温度」への言及は見つかりませんでした。

— サンチャヤン・ドゥッタ
ソース

回答:

私は、光量子コンピューターが超伝導量子コンピューターとは異なり「極低温」を必要としない理由を探していました。

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

f_{10} > k_{b} T / h .

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

h / k_{b} = 0.048 K / GHz .

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

したがって、書くことができます。

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

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

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

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

彼らは同じ問題に苦しんでいませんか？すなわち、超伝導量子コンピューターのように、光量子コンピューターの量子現象を観察するのは難しいのではないでしょうか？

$^{[a]}$ 。実際、最高の光検出器は実際には極低温環境で動作する必要があるため、キュービット自体が非常に高い周波数であるにもかかわらず、一部の光量子コンピューティングアーキテクチャでは極低温冷凍が必要です。

PSこの答えはかなり拡張することができます。誰かが詳細について知りたい特定の側面がある場合は、コメントを残してください。

$[a]$

— ダニエルサンク
ソース

いい答えだ！フォトンが温度に対してより回復力がある理由に関するあなたの議論に関して：フォトンでq情報をエンコードする最も一般的な方法は、おそらく、「存在する/存在しない」エンコーディングを使用せず、内部の自由度を使用することです。とにかく多くの量子光学QCプロトコルがポストセレクションで機能するため、これは特に当てはまります。この推論の線は、デコヒーレンスの程度よりも減衰/吸収の程度に対処しているように思えます。この種の議論は、例えば、光子の水平偏光状態と垂直偏光状態の間の遷移を扱うときに機能しますか？

— -glS

@glSは、光子の内部自由度が多かれ少なかれ一般的であるかどうかにかかわらず、確かに使用されているので、この答えは拡大されるべきです。私はあなたの答えがこの点に触れていることを知っています、そして、私はあなたの答えを編集してそれを広げるか、ここに自分のバージョンを追加すべきかを考えていました。

— ダニエルサンク

それは追加する内容に依存すると思います。光子の内部自由度間の遷移に精力的な議論を展開できるなら、おそらくあなたの答えにより適しているでしょう。

— glS

@glS精力的な議論は、インターネットの自由度に対して実際には機能しません。相互作用の強さに関するあなたの答えは、より関連性があります。私がそれに入らなかった唯一の理由は、すでにあなたの答えがあるということでした：

— ダニエルサンク

「非線形結晶の課題は、それらが非常に効率が悪いことです。実際に相互作用を引き起こす非線形プロセスの下に入る光子のごく一部のみです。」、この相互作用は温度に依存しませんか？

— -agaitaarino

光は、適切な周波数で物質と弱く相互作用するためです。量子レジームでは、これは、他のQCアーキテクチャの主な障害であるノイズとデコヒーレンスがほとんどない単一光子に変換されます。量子情報が物質（原子、イオン、電子、超伝導回路など）によって運ばれるときほど、周囲の温度は光子の量子状態を乱しません。たとえば、リンクとして低軌道衛星を使用した、中国とオーストリア間のフォトニックキュービット（より正確には、QKDプロトコル）の信頼性の高い伝送が最近実証されました（ここを参照）。

残念なことに、光は他の光と非常に弱く相互作用します（基本的にそうではありません）。互いに相互作用しない異なる光子は、光量子計算をややこしくなるものにします。たとえば、キュービットが異なる光子によって運ばれる場合、2キュービットゲートなどの基本的な要素は、実験的に実装するのが一般に困難な何らかの非線形性を必要とします。

— glS
ソース

DanielSankは正しいですが、答えは実際にはもっと微妙だと思います。損失がなければ、バックグラウンド放射が量子デバイスに漏れることもありません。最初は熱的に励起されていたとしても、量子ビットの状態を積極的にリセットできます。したがって、マイクロ波キュービットの熱励起に加えて、マイクロ波キュービットが非常に低温に冷却される根本的な理由は、量子状態が存在する材料の誘電損失です。

空気は光学光子にほとんど損失を与えませんが、電気回路は量子情報を運ぶマイクロ波周波数プラズモンを減衰させます。これまでのところ、これらの損失を取り除く唯一の方法は、超伝導体を使用することであり、さらに、超伝導体の臨界温度よりはるかに低い極低温温度に行くことですが、より高い温度を使用できない基本的な理由はありません将来的には、損失の少ない材料が入手可能になると。

— ジョフ
ソース