सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटर करते समय ऑप्टिकल क्वांटम कंप्यूटरों को पूर्ण शून्य के पास क्यों नहीं रखना पड़ता है?

Question

यह @ हीथर के प्रश्न का अनुवर्ती प्रश्न है: क्वांटम कंप्यूटरों को पूर्ण शून्य के पास क्यों रखा जाना चाहिए?

क्या मुझे पता है:

• सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटिंग : यह सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में क्वांटम कंप्यूटर का कार्यान्वयन है।

• ऑप्टिकल क्वांटम कंप्यूटिंग : यह क्वांटम सूचना को संसाधित करने के लिए सूचना वाहक और रैखिक ऑप्टिकल तत्वों के रूप में फोटॉन का उपयोग करता है, और क्वांटम जानकारी का पता लगाने और संग्रहीत करने के लिए फोटॉन डिटेक्टर और क्वांटम यादों का उपयोग करता है।

इसके बाद, यही विकिपीडिया सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटिंग के बारे में बताता है :

शास्त्रीय कम्प्यूटेशनल मॉडल शास्त्रीय यांत्रिकी के नियमों के अनुरूप शारीरिक कार्यान्वयन पर निर्भर करते हैं। हालांकि, यह ज्ञात है कि शास्त्रीय विवरण केवल विशिष्ट मामलों के लिए सटीक है, जबकि प्रकृति का अधिक सामान्य विवरण क्वांटम यांत्रिकी द्वारा दिया गया है। क्वांटम कम्प्यूटेशन क्वांटम घटना के अनुप्रयोग का अध्ययन करता है, जो सूचना प्रसंस्करण और संचार के लिए शास्त्रीय सन्निकटन के दायरे से परे है। क्वांटम अभिकलन के विभिन्न मॉडल मौजूद हैं, हालांकि सबसे लोकप्रिय मॉडल क्वैब और क्वांटम गेट्स की अवधारणाओं को शामिल करते हैं। एक बिट बिट का एक सामान्यीकरण है - दो संभावित राज्यों के साथ एक प्रणाली, जो दोनों की एक क्वांटम सुपरपोजिशन में हो सकती है। क्वांटम गेट एक लॉजिक गेट का सामान्यीकरण है: यह उस परिवर्तन का वर्णन करता है जो एक या एक से अधिक qubits का अनुभव होगा, जब गेट को उन पर लागू किया जाता है, उनकी प्रारंभिक अवस्था को देखते हुए। क्वांटम और गेट्स का भौतिक कार्यान्वयन मुश्किल है, उन्हीं कारणों से जो क्वांटम घटना को रोजमर्रा की जिंदगी में देखना मुश्किल है।एक दृष्टिकोण सुपरकंडक्टर्स में क्वांटम कंप्यूटरों को लागू करना है, जहां क्वांटम प्रभाव मैक्रोस्कोपिक हो जाते हैं, हालांकि बेहद कम संचालन तापमान की कीमत पर।

यह कुछ समझ में आता है! हालांकि, मैं इस बात की तलाश कर रहा था कि सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटरों के विपरीत ऑप्टिकल क्वांटम कंप्यूटरों को "बेहद कम तापमान" की आवश्यकता क्यों नहीं है। क्या वे एक ही समस्या से पीड़ित नहीं हैं अर्थात ऑप्टिकल क्वांटम कंप्यूटरों में क्वांटम घटनाएँ नहीं हैं, केवल सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटरों के लिए निरीक्षण करना मुश्किल है ? क्या क्वांटम प्रभाव कमरे के तापमान पर पहले से ही मैक्रोस्कोपिक हैं, ऐसे कंप्यूटरों में? ऐसा क्यों?

मैं विकिपीडिया पर रैखिक ऑप्टिकल क्वांटम कंप्यूटिंग के विवरण से गुजर रहा था , लेकिन इस तरह के "तापमान" का कोई संदर्भ नहीं मिला।

Answer 1

मैं देख रहा था कि ऑप्टिकल क्वांटम कंप्यूटर को सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटर के विपरीत "बेहद कम तापमान" की आवश्यकता क्यों नहीं है।

सुपरकंडक्टिंग क्विबिट्स आमतौर पर आवृत्ति रेंज 4 गीगाहर्ट्ज से 10 गीगाहर्ट्ज तक काम करती हैं। क्वांटम यांत्रिकी में ट्रांज़िशन फ़्रीक्वेंसी $f_{10}$ से जुड़ी ऊर्जा $E_{10} = h f_{10}$ जहाँ $h$ प्लैंक स्थिर है। थर्मल ऊर्जा $E_\text{thermal} = k_b T$ (जहां $k_b$ बोल्ट्जमान का स्थिरांक है) के लिए क्वबिट ट्रांजेक्शन एनर्जी की तुलना करते हुए, हम देखते हैं कि qu एनर्जी थर्मल एनर्जी से ऊपर है जब

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

बोल्ट्जमैन और प्लैंक के स्थिरांक को देखते हुए, हम h / k b = 0.048 पाते हैं

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

इसलिए, हम f 10 > 1 लिख सकते हैं

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

तो, 10 GHz पर उच्चतम आवृत्ति सुपरकंडक्टिंग क्वबिट के लिए, हमें T < 0.48 की आवश्यकता है$T < 0.48 \, \text{K}$ के लिए कम संभावना होने के लिए कि थर्मल इंटरेक्शन के कारण क्वाट बेतरतीब ढंग से उत्साहित या डी-एक्साइटेड है। यही कारण है कि सुपरकंडक्टिंग क्विबिट्स आमतौर पर कमजोर पड़ने वाले रेफ्रिजरेटरों में ~ 15 मिली सेकेंड पर संचालित होते हैं। बेशक, धातुओं को अतिचालक बनाने के लिए हमें तापमान कम होना चाहिए, लेकिन एल्यूमीनियम के लिए जो कि 1 K पर होता है इसलिए वास्तव में जिस बाधा के बारे में हमने पहले ही बात की है वह अधिक महत्वपूर्ण है।

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

क्या वे एक ही समस्या से पीड़ित नहीं हैं अर्थात ऑप्टिकल क्वांटम कंप्यूटरों में क्वांटम घटनाएँ नहीं हैं, केवल सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटरों के लिए निरीक्षण करना मुश्किल है?

$^{[a]}$। वास्तव में, सर्वश्रेष्ठ फोटो-डिटेक्टरों को वास्तव में वैसे भी क्रायोजेनिक वातावरण में संचालित करने की आवश्यकता होती है, इसलिए कुछ ऑप्टिकल क्वांटम कंप्यूटिंग आर्किटेक्चर को इस तथ्य के बावजूद क्रायोजेनिक प्रशीतन की आवश्यकता होती है कि खुद को बहुत अधिक आवृत्ति होती है।

पुनश्च यह उत्तर काफी विस्तारित किया जा सकता है। यदि किसी के पास कोई विशेष पहलू है जिसके बारे में वे अधिक जानना चाहते हैं, तो कृपया एक टिप्पणी छोड़ दें।

$[a]$

Comments

अच्छा उत्तर! अपने तर्क के संबंध में कि क्यों फोटोन तापमान के प्रति अधिक लचीला हैं: यकीनन फोटॉनों में q जानकारी को सांकेतिक शब्दों में बदलना सबसे आम तरीका है, अपनी आंतरिक स्वतंत्रता का उपयोग कर रहा है, "वहाँ / नहीं" एन्कोडिंग का उपयोग करना। यह विशेष रूप से सच है क्योंकि कई क्वांटम ऑप्टिकल क्यूसी प्रोटोकॉल वैसे भी पोस्टसेप्शन में काम करते हैं। मुझे ऐसा लगता है कि तर्क की यह रेखा क्षय की डिग्री से अधिक क्षीणन / अवशोषण की डिग्री को संबोधित करती है। एक फोटॉन के क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर ध्रुवीकरण राज्यों के बीच के संक्रमण से निपटने के दौरान क्या इस तरह का तर्क काम करता है?

— glS

@glS स्वतंत्रता की आंतरिक डिग्री अधिक या कम है या नहीं, वे निश्चित रूप से उपयोग किए जाते हैं, इसलिए इस उत्तर का विस्तार किया जाना चाहिए। मुझे पता है कि इस बिंदु पर आपका उत्तर स्पर्श करता है, और मैं सोच रहा था कि क्या मुझे इसे विस्तारित करने के लिए आपके उत्तर को संपादित करना चाहिए, या यहां अपना स्वयं का संस्करण जोड़ना चाहिए।

— डेनियलस्क

मुझे लगता है कि इसके अतिरिक्त क्या होगा पर निर्भर करता है। यदि आप फोटॉन की स्वतंत्रता की आंतरिक डिग्री के बीच संक्रमण के लिए अपने ऊर्जावान तर्क का विस्तार कर सकते हैं तो यह संभवतः आपके उत्तर में बेहतर होगा।

— glS

@glS ऊर्जावान तर्क वास्तव में स्वतंत्रता की इंटरनेट डिग्री के लिए काम नहीं करता है। इंटरैक्शन स्ट्रेंथ के बारे में आपका उत्तर वहां अधिक प्रासंगिक है। केवल यही कारण है कि मैं इसमें नहीं गया था कि पहले से ही आपका जवाब :-)

— डैनियलस्कैन

जब आप लिखते हैं "नॉनलाइनियर क्रिस्टल के साथ चुनौती यह है कि वे बहुत अक्षम हैं; केवल फोटॉन का एक बहुत छोटा सा अंश जो वास्तव में गैर-रैखिक प्रक्रिया से गुजरता है जो बातचीत का कारण बनता है।", क्या यह अंतःक्रियात्मक तापमान-स्वतंत्र है?

— अगस्तैरोिनो

Answer 2

क्योंकि प्रकाश, सही आवृत्तियों पर, पदार्थ के साथ कमजोर रूप से संपर्क करता है। क्वांटम शासन में, यह एकल फोटॉनों के लिए बड़े पैमाने पर शोर और विघटन से मुक्त होता है जो अन्य QC आर्किटेक्चर के साथ मुख्य बाधा है। आसपास का तापमान किसी फोटॉन की क्वांटम स्थिति को उतना परेशान नहीं करता है, जितना कि जब क्वांटम की जानकारी पदार्थ (परमाणुओं, आयनों, इलेक्ट्रॉनों, सुपरकंडक्टिंग सर्किट आदि) द्वारा की जाती है। उदाहरण के लिए, चीन और ऑस्ट्रिया के बीच फोटोनिक क्विबिट (अधिक सटीक, एक QKD प्रोटोकॉल) का विश्वसनीय प्रसारण, लिंक के रूप में एक कम-कक्षा उपग्रह का उपयोग करके, हाल ही में प्रदर्शित किया गया था (उदाहरण के लिए यहां देखें )।

दुर्भाग्य से, प्रकाश भी अन्य कमजोरियों के साथ बेहद कमजोर रूप में बातचीत करता है (जैसा कि यह मूल रूप से नहीं करता है)। अलग-अलग फोटॉन एक दूसरे के साथ बातचीत नहीं करते हैं जो ऑप्टिकल क्वांटम गणना को कुछ मुश्किल बना देता है। उदाहरण के लिए, बुनियादी तत्वों जैसे दो-क्विट गेट्स, जब क्वैब को अलग-अलग फोटोन द्वारा ले जाया जाता है, तो कुछ प्रकार की नॉनलाइनियरिटी की आवश्यकता होती है, जो आमतौर पर प्रयोगात्मक रूप से लागू करने के लिए कठिन होता है।

Answer 3

डेनियलस्क सही है, लेकिन मुझे लगता है कि उत्तर वास्तव में और भी अधिक सूक्ष्म है। अगर कोई नुकसान नहीं होता तो आपके क्वांटम डिवाइस में बैकग्राउंड रेडिएशन लीक होने का कोई रास्ता भी नहीं होता। यहां तक ​​कि अगर यह शुरू में थर्मली उत्तेजित था, तो कोई भी सक्रिय रूप से क्वैट्स की स्थिति को रीसेट कर सकता है। इस प्रकार, माइक्रोवेव क्वार्ट्स के थर्मल उत्तेजनाओं के अलावा, उनके लिए इतने कम तापमान तक ठंडा होने का मूल कारण वास्तव में उन सामग्रियों का ढांकता हुआ नुकसान है जो क्वांटम राज्य में रहते हैं।

ऑप्टिकल फोटॉनों को हवा लगभग कोई नुकसान नहीं पहुंचाती है, लेकिन इलेक्ट्रिक सर्किट क्वांटम सूचना को ले जाने वाले माइक्रोवेव फ्रीक्वेंसी प्लास्मों को अटेंड करते हैं। अब तक इन नुकसानों से छुटकारा पाने का एकमात्र तरीका सुपरकंडक्टर्स का उपयोग करना है, और इसके अलावा, क्रायोजेनिक तापमान को सुपरकंडक्टर्स के महत्वपूर्ण तापमान से कम करने के लिए जाना है, लेकिन उच्च तापमान का उपयोग नहीं करने के लिए कोई बुनियादी कारण नहीं है। भविष्य में, एक बार कम नुकसान वाली सामग्री उपलब्ध हो जाती है ।