一支由麻省理工學院林肯實驗室所領導的量子計算科學家團隊，通過研究發現，自然輻射會嚴重幹擾量子計算機的基本運算單位：量子位。這一最新研究發現論文，題為：「電離輻射對超導量子位相干性的影響」，剛剛刊登在今天的《自然》雜誌上。
量子計算的實用性取決於量子位或量子位的完整性，量子位是表示量子信息的連貫的兩級系統，是量子計算機的邏輯元素。每個量子位具有奇特的能力，處於量子疊加中，同時承載兩個狀態的各個方面，從而實現了並行計算的量子形式。量子計算機如果可以擴展在一個處理器上容納許多量子比特，那麼它們將比今天的常規計算機速度更快，並且能夠處理更複雜的問題。
但是，這一切都將取決於量子位的完整性，或者說取決於量子位在其疊加和量子信息丟失之前可以運行多長的時間，這一過程稱為退相干，它最終限制了量子計算機的運行時間。
當今處於領先地位的量子位形式為超導量子位，已在這一關鍵指標上實現了指數級的提高，從1999年性能最佳設備的不到一納秒，已擴展到如今的200微秒左右。
但是，麻省理工學院林肯實驗室和西北太平洋國家實驗室（PNNL）的研究人員發現，量子比特的這種性能很快就會崩潰。研究小組在研究論文中報告說，即使是混凝土牆中的微量元素和宇宙射線發出的低水平，對人體看來無害的這些背景輻射，也足以扼殺量子比特的這種性能，引起量子比特的退相干。他們發現，如果不緩解這種影響，它將會使量子位的性能永遠限制在幾毫秒之內。
研究指出，科學家們正在極力提高量子比特的速度，他們可能會在短短幾年裡撞上輻射誘發的牆。為了克服這一障礙，科學家將必須找到方法來屏蔽量子位以及任何實用的量子計算機，使其免受哪怕是極低水平輻射的影響，這可能是通過將其構建在地下或設計可承受輻射效應的量子位來實現。
該論文主導、著名量子計算專家、麻省理工學院電氣工程與計算機科實驗室副主任、威廉·奧利弗（William Oliver）表示：「這些去相干機制就像洋蔥一樣，在過去的20年中我們一直在剝離這些層，但是還有另外一層仍將保持不變，即環境輻射，這將限制我們在今後幾年內的發展。」 「這是一個令人興奮的結果，因為它促使我們思考設計量子位的其他方法來解決這個問題。」
該論文的第一作者、麻省理工學院電子研究實驗室博士後研究員、Antti Vepslinen說：「令人驚奇的是，超導量子位對微弱的輻射是如此敏感。了解我們設備中的這些效應還可以在其他應用領域中有所幫助，例如天文學中使用的超導傳感器。」如圖所示自然輻射會干擾量子計算機。X射線、β射線、宇宙射線和γ射線形式的自然輻射，會穿透超導量子位並幹擾量子相干性。
超導量子位是由超導材料製成的電路。它們包含成對的電子，稱為庫珀對，它們在沒有電阻的情況下流過電路，並共同作用以維持量子位的微弱的疊加狀態。如果電路被加熱或以其他方式破壞，電子對可能分裂成「準粒子」，從而導致量子位中的退相干，而限制其工作。
有許多退相干源可能會使量子比特不穩定，例如波動的磁場和電場、熱能、甚至量子比特之間的幹擾。長期以來，科學家一直懷疑很低的輻射水平可能會對量子比特產生類似的破壞作用。麻省理工學院林肯實驗室的研究人員、論文作者之一、大衛-金（David K. Kim）補充說：「在過去的五年研究中，超導量子比特的質量已經變得好些了，現在我們的輻射影響範圍只有十分之一。」
研究團隊研究了他們如何確定低水平環境輻射對量子位的影響。研究團隊中的中微子物理學家、論文作者之一、福馬焦（Joseph A. Formaggio,）在設計實驗方面具有專業知識，可以屏蔽最小的輻射源，從而能夠探測到中微子和其他難以探測的粒子的影響。如圖所示在地下實驗室的超低輻射探測設施中的技術人員檢查。
「校準是關鍵」
研究團隊首先必須設計一個實驗，以校準已知輻射水平對超導量子位性能的影響。為此，他們需要一個已知的放射源，該放射源的放射性降低得足夠慢，足以評估在基本恆定的輻射水平下的影響；但又足夠地快，可以在幾周內評估出一定範圍的輻射水平，直到背景輻射的水平。
該小組選擇了輻照一個高純度銅箔。當暴露於高中子通量時，銅會產生大量的銅-64，這是一種具有理想性質的不穩定同位素。
福馬焦說：「銅就像海綿一樣吸收中子。」他與麻省理工學院核反應堆實驗室的操作員合作，輻照了兩小盤銅片幾分鐘。然後，他們在校園中奧利弗實驗室的稀釋冰箱中，將其中一個磁碟放在超導量子位旁邊。在比外層空間冷200倍的溫度下，他們測量了銅的放射性對量子位相干性的影響，放射性降低了，下降到環境基本水平。
在室溫下測量第二個圓盤的放射性，以此作為達到量子比特的水平的量度。通過這些測量和相關的模擬，該團隊了解了輻射水平和量子位性能之間的關係，可以用來推斷自然發生的環境輻射的影響。基於這些測量，量子位相干時間將被限制為大約4毫秒。
「沒有結束」
然後，研究小組移除了放射源，並進行了演示，證明將量子比特與環境輻射隔離可以改善相干時間。為此，研究人員建造了2噸重的鉛磚砌牆，可以在剪叉式升降機上升降，以屏蔽冰箱或使其暴露於周圍的輻射之下。
奧利弗說，「我們是在冰箱的周圍建築了一座小城堡。」每隔10分鐘，在幾周內，交替按下按鈕以抬起或放下牆壁，因為探測器檢測到量子位的完整性或「鬆弛率」，即衡量帶或不帶護盾環境輻射如何影響量子位的量度。通過比較兩個結果，他們有效地提取了歸因於環境輻射的影響，確認了4毫秒的預測，並證明了屏蔽改善了量子比特性能。
福馬焦說：「很難消除宇宙射線的輻射。」 「它具有很高的穿透力，可以像噴射流一樣穿過所有物體。如果進入地下，這種影響會越來越少。也許不必像中微子實驗那樣在地下深處建造量子計算機，但是地下深層設施會使所產生的量子比特的操作水平有所提高。」
進入地下不是唯一的選擇，奧利弗對於如何設計仍可在面對背景輻射的情況下工作的量子計算設備提出了一些想法。
奧利弗說：「如果我們想由此建立起一個產業，我們可能更希望減輕地面輻射的影響。」 「我們可以考慮以某種方式設計量子比特，使其對量子粒子『抗輻射』，並且對準粒子不那麼敏感，或者為準粒子設計陷阱，以便即使它們是由輻射不斷產生的，也可以因此流離量子比特，這絕對不是遊戲的結束，這只是我們需要剝離的下一層洋蔥。」
參考：Impact of ionizing radiation on superconducting qubit coherence, Nature. DOI: 10.1038/s41586-020-2619-8，www.nature.com/articles/s41586-020-2619-8