MIT新研究給量子計算機「潑冷水」:自然界輻射會干擾它,需要研究新...

金磊 發自 凹非寺

谷歌去年提出的「量子優越性」，在業界引起了不小的轟動。

畢竟，量子運算200秒，相當於地球最強超算100年。

看似前景一片大好。

然而，MIT 最近的一項研究卻給量子計算的發展潑了一盆「冷水」：

宇宙射線發出的低強度無害背景輻射，足以導致量子比特退相干。

要知道，這種「背景輻射」，可以說是一種充滿整個宇宙的電磁輻射。

並且，研究還登上了近期的 Nature 雜誌。

為什麼量子計算如此「脆弱」？

量子比特（qubits）的完整性是一個關鍵問題。

量子比特，是量子計算中的邏輯元素，每個量子比特都有一個「神奇的能力」，就是可以處於「量子疊加態」。

這種能力讓量子比特可以同時存在2種狀態，從而實現了量子版的並行計算。

因此，一臺量子計算機若是能夠在一個處理器上，擴展容納許多量子比特，那麼就會比現在傳統的計算機速度要快上很多，而且還能解決更為複雜的問題。

但這一切都取決於量子比特的完整性。換言之，就是取決於它能在疊加態和量子信息丟失之前，能夠工作多長時間。

這個過程叫做退相干，最終限制了量子計算機的運行時間。

但最近，MIT 和太平洋西北國家實驗室 （PNNL）的研究人員卻發現，混凝土牆壁中的微量元素，以及宇宙射線發出的低水平、無害的輻射，卻會足以引起這種「退相干」現象的發生。

他們首先設計了一個實驗，要做的就是「校準已知輻射水平對超導量子比特的影響」。

為此，他們需要一個已知的放射源，它的放射性既要「慢」，又要「快」。

慢，是指要慢到足以評估基本恆定輻射水平下的影響；快，是指要快得足以在幾周內評估一系列輻射水平，直到背景輻射水平。

團隊選擇了一種高純度的銅箔，當暴露在高通量的中子下時，銅會產生大量的⁶⁴Cu（銅-64），這是一種不穩定的同位素，性質方面較為理想。

他們準備了2盤這樣的銅片，先照射了它們幾分鐘，將其中1盤放在超導量子比特旁，再一起置於稀釋制冷機中。

制冷機的溫度大約在零下200度左右，而隨著⁶⁴Cu放射性降至正常環境水平，研究人員測量出了輻射對量子比特退相干的影響。

作為對比，第2盤銅片的實驗是在常溫下進行，也測量了在這種情況下，輻射與量子比特退相干之間的影響。

他們發現，若是不加以緩和，會把量子比特的性能限制在幾毫秒之內（目前性能較好的可達到200微秒）。

對此，MIT 電氣工程和計算機科學副教授 William Oliver 表示：

這些退相干的機制就像一個洋蔥，過去20年，我們在一層一層剝開它。但現在還有一層，若是不加以限制，幾年內就會限制我們的發展，這就是環境輻射。

這是一個令人興奮的發現，可以讓我們思考用其他的方法來設計量子比特，以此來繞過這個問題。

牆也擋不住

除此之外，研究人員移除了放射源，並進一步證明將量子比特屏蔽在環境輻射之外，可以提高相干時間。

為此，研究人員建立了一個2噸重、可升降的鉛磚牆。

在實驗室中，學生們每隔10分鐘便按一次按鈕，讓這個牆上升或下降，這樣的操作持續了幾周之久。

這樣做的目的，就是在「有防護罩」和「無防護罩」兩種情況下，輻射對量子比特的影響。

而結果表明，屏蔽輻射能夠提高量子比特的特性。

但與此同時，研究人員也表示：

宇宙輻射的穿透力極強，是很難消除的。

像一股高速氣流一樣穿透一切。

怎麼破？

不過，我們也不要對量子計算機太過悲觀，研究人員給出了解決方案：

沒必要把量子計算機建在像中微子實驗室那麼深的地方，大部分輻射粒子容易被阻擋。

地下深處的設施，可以讓量子比特在更高的水平上運行。

但轉入地下並不是唯一選擇，研究人員對於如何設計在背景輻射下仍能工作的量子計算設備，提出了自己的看法：

如果我們想要建立一個產業，可能更傾向於減輕地面輻射的影響。

我們可以考慮設計量子比特，讓他們難以接觸輻射，或者對粒子不那麼敏感。

作者介紹

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Antti Vepsäläinen

Antti 於2018年獲得阿爾託大學物理學博士學位，當時主要研究超導電路中量子態的絕熱控制，並研究了用於超靈敏測量磁場的簡單量子算法。

目前是 MIT 電子學研究實驗室博士後，繼續研究超導量子比特。

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Amir Karamlou

Amir Karamlou 於2018年畢業於 MIT，並獲得物理與電子工程及計算機科學學士學位和電子工程與計算機科學碩士學位。