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宇宙射线可能很快阻碍量子计算

更新时间:2020-09-16 13:15点击:

  量子计算机的逻辑元素-量子位是表示量子信息的连贯的两级系统。每个量子位具有奇特的能力,处于量子叠加中,同时携带两个状态的各个方面,从而实现了并行计算的量子形式。如果可以将量子计算机扩展为在一个处理器上容纳多个量子位,那么与当今的常规计算机相比,量子计算机的速度将令人目眩,并且能够处理更为复杂的问题。

  但是,这一切都取决于量子位的完整性,或者量子位在其叠加和量子信息丢失之前可以运行多长时间-这一过程称为退相干,这最终限制了计算机的运行时间。超导量子位(当今领先的量子位形式)已在这一关键指标上实现了指数级的提高,从性能最佳的设备的1999年不到一纳秒到如今的200微秒左右。

  但是,麻省理工学院,麻省理工学院林肯实验室和西北太平洋国家实验室(PNNL)的研究人员发现,量子比特的性能很快就会崩溃。在《自然》杂志上发表的一篇论文中,研究小组报告说,混凝土墙壁中的微量元素和宇宙射线发出的低水平,否则无害的背景辐射足以引起量子比特的退相干。他们发现,如果不减轻这种影响,它将把qubit的性能限制在几毫秒之内。

  考虑到科学家提高量子比特的速度,他们可能会在短短几年内撞上辐射诱发的墙。为了克服这一障碍,科学家将必须找到方法来屏蔽量子位以及任何实用的量子计算机,使其免受低水平辐射的影响,这可能是通过在地下建造计算机或设计可耐受辐射影响的量子位来实现的。

  威廉·奥利弗(William Oliver)表示:“这些去相干机制就像洋葱一样,在过去的20年中我们一直在剥离这些层,但是还有另外一层仍将保持不变,这将限制我们在几年内的发展,即环境辐射。”麻省理工学院电气工程与计算机科学副教授和林肯实验室研究员。“这是一个令人兴奋的结果,因为它促使我​​们思考设计量子位的其他方法来解决这个问题。”

  该论文的主要作者是麻省理工学院电子研究实验室的博士后AnttiVepsäläinen。

  Vepsäläinen说:“令人着迷的是,超导量子位对微弱的辐射有多敏感。了解我们设备中的这些效应还可以在其他应用中有所帮助,例如天文学中使用的超导传感器。”

  超导量子位是由超导材料制成的电路。它们包含成对的电子,称为库珀对,它们在没有电阻的情况下流过电路,并共同作用以维持量子位的微弱叠加状态。如果电路被加热或以其他方式破坏,电子对可能分裂成“准粒子”,从而导致量子位中的退相干,从而限制了其工作。

  麻省理工学院林肯实验室的技术人员金补充说:“在过去的五年中,超导量子比特的质量已经变得更好,现在我们的辐射影响范围只有十分之一。” 。

  因此,奥利弗(Oliver)和福马乔(Formaggio)联手研究了他们如何确定低水平环境辐射对量子位的影响。作为中微子物理学家,福马焦在设计实验方面具有专业知识,可以屏蔽最小的辐射源,从而能够看到中微子和其他难以探测的粒子。

  该团队与林肯实验室和PNNL的合作者一起,首先必须设计一个实验,以校准已知辐射水平对超导量子位性能的影响。为此,他们需要一个已知的放射源,该放射源的放射性降低得足够慢,足以评估在基本恒定的辐射水平下的影响,但又足够快,可以在几周内评估出一定范围的辐射水平,直至达到背景辐射的水平。 。

  该小组选择辐照高纯度铜箔。当暴露于高中子通量时,铜会产生大量的铜64,这是一种具有理想性质的不稳定同位素。

  Formaggio说:“铜就像海绵一样吸收中子。”他与麻省理工学院的核反应堆实验室的操作员合作,辐照了两小盘铜片几分钟。然后,他们将一个磁盘放在超导量子位旁边,放在校园中奥利弗实验室的稀释冰箱中。在比外层空间低200倍的温度下,他们测量了铜的放射性对量子位相干性的影响,而放射性却降低了,下降到环境本底水平。

  在室温下测量第二个圆盘的放射性,以此作为达到量子比特的水平的量度。通过这些测量和相关的模拟,该团队了解了辐射水平与量子位性能之间的关系,可以用来推断自然发生的环境辐射的影响。基于这些测量,量子位相干时间将被限制为大约4毫秒。

  然后,研究小组移除了放射源,并进行了演示,证明将量子比特与环境辐射隔离可以改善相干时间。为此,研究人员建造了2吨重的铅砖砌墙,可以在剪叉式升降机上升降,以屏蔽冰箱或使其暴露于周围的辐射之下。

  每隔10分钟,在几周内,奥利弗实验室的学生交替按下按钮以抬起或放下墙壁,因为探测器检测到量子位的完整性或“松弛率”,即衡量环境辐射如何影响量子位的量度。 ,带或不带护盾。通过比较这两个结果,他们有效地提取了归因于环境辐射的影响,确认了4毫秒的预测并证明屏蔽改善了量子比特性能。

  Formaggio说:“很难消除宇宙射线的辐射。” “它具有很高的穿透力,可以像喷射流一样穿过所有物体。如果进入地下,这种情况会越来越少。也许不必像中微子实验那样在地下深处建造量子计算机,但是也许地下深层设施可能会产生量子比特操作水平有所提高。”

  进入地下不是唯一的选择,奥利弗(Oliver)对于如何设计仍可在面对背景辐射的情况下工作的量子计算设备提出了一些想法。

  奥利弗说:“如果我们想建立一个产业,我们可能更愿意减轻地面辐射的影响。” “我们可以考虑以某种方式设计量子比特,使其对量子粒子“抗辐射”,并且对准粒子不那么敏感,或者为准粒子设计陷阱,以便即使它们是由辐射不断产生的,它们也可以流离量子比特因此,这绝对不是结束游戏,这只是我们需要解决的下一层洋葱。”


宇宙射线可能很快阻碍量子计算