¿Por qué las computadoras cuánticas ópticas no tienen que mantenerse cerca del cero absoluto mientras que las computadoras cuánticas superconductoras sí?

Esta es una pregunta de seguimiento a la respuesta de @ heather a la pregunta: ¿Por qué las computadoras cuánticas deben mantenerse cerca del cero absoluto?

Lo que yo sé:

• Computación cuántica superconductora : es una implementación de una computadora cuántica en un circuito electrónico superconductor.

• Computación cuántica óptica : utiliza fotones como portadores de información y elementos ópticos lineales para procesar información cuántica, y utiliza detectores de fotones y memorias cuánticas para detectar y almacenar información cuántica.

A continuación, esto es lo que Wikipedia dice sobre la computación cuántica superconductora :

Los modelos de computación clásicos se basan en implementaciones físicas consistentes con las leyes de la mecánica clásica. Sin embargo, se sabe que la descripción clásica solo es precisa para casos específicos, mientras que la descripción más general de la naturaleza está dada por la mecánica cuántica. La computación cuántica estudia la aplicación de fenómenos cuánticos, que están más allá del alcance de la aproximación clásica, para el procesamiento de la información y la comunicación. Existen varios modelos de computación cuántica, sin embargo, los modelos más populares incorporan los conceptos de qubits y puertas cuánticas. Un qubit es una generalización de un bit: un sistema con dos estados posibles, que puede estar en una superposición cuántica de ambos. Una puerta cuántica es una generalización de una puerta lógica: describe la transformación que experimentarán uno o más qubits después de que se les aplique la puerta, dado su estado inicial. La implementación física de qubits y puertas es difícil, por las mismas razones que los fenómenos cuánticos son difíciles de observar en la vida cotidiana.Un enfoque es implementar las computadoras cuánticas en superconductores, donde los efectos cuánticos se vuelven macroscópicos, aunque a un precio de temperaturas de operación extremadamente bajas.

¡Esto tiene sentido! Sin embargo, estaba buscando por qué las computadoras cuánticas ópticas no necesitan "temperaturas extremadamente bajas" a diferencia de las computadoras cuánticas superconductoras. ¿No sufren el mismo problema, es decir, no son difíciles de observar los fenómenos cuánticos en las computadoras cuánticas ópticas como en las computadoras cuánticas superconductoras? ¿Son los efectos cuánticos ya macroscópicos a temperatura ambiente, en tales computadoras? ¿Porque?

Estaba revisando la descripción de la computación cuántica óptica lineal en Wikipedia , pero no encontré ninguna referencia a la "temperatura" como tal.

Estaba buscando por qué las computadoras cuánticas ópticas no necesitan "temperaturas extremadamente bajas" a diferencia de las computadoras cuánticas superconductoras.

Los qubits superconductores generalmente funcionan en el rango de frecuencia de 4 GHz a 10 GHz. La energía asociada con una frecuencia de transición $f_{10}$ en mecánica cuántica es $E_{10} = h f_{10}$ donde $h$ es la constante de Planck. Al comparar la energía de transición qubit con la energía térmica $E_\text{thermal} = k_b T$ (donde $k_b$ es la constante de Boltzmann), vemos que la energía qubit está por encima de la energía térmica cuando

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

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

¿No sufren el mismo problema, es decir, no son difíciles de observar los fenómenos cuánticos en las computadoras cuánticas ópticas como en las computadoras cuánticas superconductoras?

$^{[a]}$. De hecho, los mejores fotodetectores realmente necesitan ser operados en entornos criogénicos de todos modos, por lo que algunas arquitecturas de computación cuántica óptica necesitan refrigeración criogénica a pesar del hecho de que los qubits tienen una frecuencia muy alta.

PD: esta respuesta podría ampliarse bastante. Si alguien tiene un aspecto particular sobre el que le gustaría saber más, por favor deje un comentario.

$[a]$

Porque la luz, en las frecuencias correctas, interactúa débilmente con la materia. En el régimen cuántico, esto se traduce en que los fotones individuales están en gran parte libres del ruido y la decoherencia que es el principal obstáculo con otras arquitecturas de CC. La temperatura circundante no perturba el estado cuántico de un fotón tanto como lo hace cuando la información cuántica es transportada por la materia (átomos, iones, electrones, circuitos superconductores, etc.). Por ejemplo, recientemente se demostró una transmisión confiable de qubits fotónicos (más precisamente, un protocolo QKD) entre China y Austria, utilizando un satélite de órbita baja como enlace (ver, por ejemplo, aquí ).

Desafortunadamente, la luz también interactúa extremadamente débilmente (como en el caso, básicamente no lo hace) con otra luz. Diferentes fotones que no interactúan entre sí es lo que hace que el cálculo óptico cuántico sea algo complicado. Por ejemplo, elementos básicos como las puertas de dos qubits, cuando los qubits son transportados por fotones diferentes, requieren alguna forma de no linealidad, que generalmente es más difícil de implementar experimentalmente.

DanielSank es correcto, pero creo que la respuesta es aún más sutil. Si no hubiera pérdida, tampoco habría forma de que la radiación de fondo se filtre en su dispositivo cuántico. Incluso si inicialmente estaba excitado térmicamente, uno podría restablecer activamente el estado de los qubits. Por lo tanto, además de las excitaciones térmicas de los qubits de microondas, la razón fundamental para que se enfríen a una temperatura tan baja es realmente la pérdida dieléctrica de los materiales en los que vive el estado cuántico.

El aire no impone casi ninguna pérdida a los fotones ópticos, pero los circuitos eléctricos atenúan los plasmones de frecuencia de microondas que transportan la información cuántica. Hasta ahora, la única forma de deshacerse de estas pérdidas es usar superconductores y, además, ir a temperaturas criogénicas mucho más bajas que la temperatura crítica de los superconductores, pero no hay razones fundamentales para no poder usar temperaturas más altas. en el futuro, una vez que los materiales con menor pérdida estén disponibles .