怕熱、怕磁場還怕輻射!如何「保護」一臺脆弱的量子計算機?

2020-11-24 前瞻網

自30多年前，科學家提出利用量子構建計算系統的設想以來，這種常在科幻作品裡出現的新一代計算機系統正一步步成為現實。

2019年1月，IBM在CES展會期間推出其量子計算機Q System One，是世界上首款專為科研和商業用途設計的全集成通用量子計算機。

今年3月，霍尼韋爾稱研發出了世界最強的量子計算機，量子體積得分達到64，比Q System One多一倍。但還不到半年，IBM也相繼宣布其量子計算機同樣達到了64量子體積。

但在量子計算機技術飛速發展的背後，其本身仍然是一件相當「脆弱」的東西：高溫、電磁場、宇宙輻射等因素都會影響其計算。

為什麼量子計算機如此脆弱?這要從「量子相干性」說起。

「脆弱」的量子相干性

量子計算機的重要量子性質之一就是「量子相干性」。通俗地說，假定在高能加速器中，由能量生成的一個電子和一個正電子朝著相反的方向飛行，在沒有人觀測時，兩者都處於向右和向左自旋的疊加態，而進行觀測時，如果觀測到電子處於向右自旋的狀態，那么正電子就一定處於向左自旋的狀態。這就是說，「電子向右自旋」和「正電子向左自旋」的狀態是相關聯的，稱為「量子相干性」。

而在量子計算機中，彼此有關的量子比特串列成為一個整體，只要對一個量子比特進行處理，影響就會立即傳送到串列中多餘的量子比特。正是量子相干性讓量子計算機實現了高效率的並行運算。

但量子比特之間的相干性很難長時間保持，經過一段時間後，一旦遇到外界實體的觀測，就會失去相干性。量子比特還會受到外部環境幹擾，導致量子相干性衰減，這被稱為「退相干」。

如果退相干時間不能足夠長，就無法完成計算，因此這限制了量子計算機的運算時間。

為了讓「脆弱」的量子計算機保證其高性能，科學家已經採取了很多措施：

超低溫

許多量子計算機必須保持在接近絕對零度的溫度。絕對零度是熱力學中的最低溫度，等於零下273.15攝氏度。

1983年7月21日所錄得的南極地區最低溫度，同時也是全世界的最低溫度為零下89.2攝氏度。因此，對於量子計算機來說，自然界的低溫還遠遠不夠。

量子計算機通常由兩種基態組成，通常被認為是「0」和「1」。從一種狀態轉變為另一種狀態需要能量，而在極冷的溫度下原子和分子的移動變得更少，使其自身變得更加穩定。

這就意味著，通過保持極低溫，可以讓量子態被不受控制的因素影響而轉換到另一個量子態的可能性大大降低。

目前，人類還不能達到絕對零度，但可以通過各種手段而儘量接近這一溫度。

許多量子計算機會使用稀釋制冷機，其原理類似液體蒸發吸熱，利用基於氦的同位素混合物實現熱量的流動。

如D-Wave的量子計算機使用液氦作為製冷冷卻劑，讓液氦處於「封閉循環系統」中，並使用脈衝管技術來回收和再冷凝液氦。

Q System One則利用兩種氦同位素的混合特性來製冷，其裝配冷卻系統的全套設備放在紐約的實驗室中，體積跟一間房間差不多大小。

物理隔離

為了儘量減少外界對量子態的幹擾，除了使用超低溫讓其保持穩定，物理隔絕、幾近真空的環境、屏蔽磁場幹擾和電磁噪聲的外殼等等設置也是必需的。

IBM的Q System One就被放在一個9 英尺高、9 英寸寬的透明玻璃外殼內，其內部使用了超導體來儘量減少能量損失，磁屏遮罩內的量子放大器能夠放大處理讀取信號，並將噪音最小化。

D-Wave 2000Q量子計算機也使用了一個黑色的立方體來容納、冷藏和磁屏蔽量子計算系統，其內部屏蔽系統和量子計算機機殼外部之間只有唯一的信息通道。

為了屏蔽磁場，D-Wave 的QPU上集成了磁傳感器，用來測量環境場;通過施加方向磁場，使這些傳感器處磁場歸零。

D-Wave還使用了低頻帶通濾波器，用於消除線路噪聲。即使是機器本身運行時所產生的電荷起伏、熱噪聲和反向散射信號對量子計算機來說也是高度敏感的。

自然輻射

人們已經知道磁場、電場、甚至萬有引力都會對量子態造成擾動，但新的研究表明，宇宙射線甚至是混凝土中的微量輻射都可能將量子位的使用壽命限制在幾毫秒之內。

近日，在《自然》上發表的一篇論文中，來自麻省理工學院和西北太平洋國家實驗室的研究團隊稱，為了克服這個障礙，科學家們需要找到一種方法來保護量子位免受輻射，包括將其置於地下。

長期以來，科學家們一直懷疑極低水平的輻射可能在量子位中產生類似磁場、熱能的不穩定效應，但這是首次證明這一點的研究。

該團隊輻照了一層高純銅箔以產生不穩定的同位素銅-64，隨後測量了放射性對超導量子位的影響。

該研究的合著者、MIT物理學教授Joseph Formaggio說:「宇宙射線輻射很難擺脫。它非常具有穿透力，就像射流一樣能夠穿過一切。如果你轉入地下，它們會變得越來越少。」

不過，他表示：「也許你沒有必要在地下深處建造量子計算機，就像中微子實驗一樣。但也許地下深處的設施可以讓量子位在更高的水平上運行。」

麻省理工學院(MIT)電子工程和計算機科學副教授、林肯實驗室(Lincoln Laboratory)研究員威廉•奧利弗(William Oliver)也表示，轉入地下並不是唯一的選擇，人們有辦法設計出在背景輻射下仍能工作的量子計算設備。

內部糾錯

量子計算機面臨的幹擾不僅來自外部的環境因素，也來自機器內部——比如沒有精確校準的雷射。

一個可能的解決方案是建造一臺能夠實時糾正硬體錯誤的機器。

原定今年3月舉行後又被取消的APS會議上，學術界和產業界的研究人員本打算就量子誤差校正的最新研究發表演講。

雖然理論家在20多年前就開始考慮量子誤差修正，但研究人員直到最近才開始著手進行實際實驗。

「我們正從理論家的遊樂場轉變為實際的實施，」IBM的理論學家Ted Yoder說。

量子誤差修正的基本任務可以分為兩個步驟:第一，檢測在計算過程中發生的錯誤，第二，撤銷這些錯誤。

這些錯誤產生的原因多種多樣:例如，對一個量子位的操作可能無意中改變鄰近量子位的狀態，這是一種被稱為串擾的特殊錯誤。

經典算法通過複製數據來部分糾正錯誤。例如，在所謂的「經典重複代碼」中，一臺經典計算機與同一位的多個副本一起工作，如果在傳輸中某個位以某種方式被翻轉，計算機可以應用「多數規則」算法來糾正錯誤。

但這種方法無法應用於量子計算機，因為量子位受到「不可克隆定理」的限制，該定理禁止複製量子態。

一種流行的策略是使用一群「物理」的量子位——例如多個被捕獲的離子或超導電路——作為一個「邏輯」的信息量子位共同工作。

在這種情況下，幾個「數據」量子位包含被計算的信息，它被耦合來支持稱為「附屬」(ancilla)量子位的量子位。

計算機通過直接測量附屬量子位來推斷錯誤，但它不會改變數據的量子位，保持它的量子態。

不過，一臺能夠錯誤修正的量子計算機將需要大量的量子位。為了進行錯誤校正，大多數量子位需要是附屬量子位，只有少數參與主要的計算任務。

由於現有的量子計算機硬體包含相對較少的量子位，因此迄今為止很難實現糾錯算法。

另一方面，一家名為Q-CTRL的初創公司銷售機器學習驅動工具，以在初始地點識別和減少硬體錯誤。Q-CTRL的客戶包括量子計算初創公司Rigetti、麻省理工學院和南加州大學。

這種硬體方法，加上量子誤差校正，可能會很快推動量子計算機發展更進一步。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考資料：

https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-8669487/Future-quantum-computers-built-UNDERGROUND.html

https://www.aps.org/publications/apsnews/202004/quantum.cfm

https://www.power-and-beyond.com/quantum-computers-how-do-they-work-and-what-might-we-expect-of-them-a-940315/

https://medium.com/the-quantum-authority/ice-ice-baby-why-quantum-computers-have-to-be-cold-3a7f777d9728#:~:text=This%20leads%20to%20the%20idea%20of%20why%20we,becomes.%20Less%20movement%20means%20less%20energy%20being%20expelled.

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