宇宙射線將是量子計算發展之路上遭遇的新瓶頸

量子計算的實用性取決於量子位元（qubit）的完整性。

量子位元是量子計算機的邏輯元件，是代表量子信息的相干二能級系統。每個量子位元都有一種奇特的能力，可以處於量子疊加狀態，同時攜帶兩種狀態的各個方面，從而實現量子版本的並行計算。如果量子計算機能夠在一個處理器上容納許多量子位元，那麼它們可能會比今天的傳統計算機快得令人眼花繚亂，並且能夠處理更複雜的問題。

但這一切都取決於量子位元的完整性，也就是在疊加和量子信息丟失之前，量子位元能夠運行多長時間 —— 這個過程被稱為「退相干」，它最終會限制計算機的運行時間。超導量子位（當今最主要的量子位模態）已經在這一關鍵指標上取得了指數級的進步，性能最好的器件從1999年的不到1納秒提高到今天的約200微秒。

但是，來自麻省理工學院和西北太平洋國家實驗室（PNNL）的研究人員發現，量子位的性能提升很快就將「碰壁」。研究人員報告說，混凝土牆壁中微量元素和宇宙射線發出的低強度、無害的背景輻射足以導致量子位元的退相干。他們發現，如果不加以緩解，這種效應會將量子位元的性能限制在幾毫秒之內。

考慮到科學家一直在改進量子位元的速度，他們可能會在短短幾年內撞上這堵輻射誘導的牆。為了克服這一障礙，科學家們將不得不想方設法保護量子位元和任何實用的量子計算機，免受低水平輻射的傷害，可能的方法就是通過在地下建造計算機，或設計耐受輻射影響的量子位元。

科學家解釋道，這些退相干機制就像一個洋蔥，在過去的20年裡，我們一直在剝離這些層，但是還有一層沒有減弱，這將在幾年內限制我們，這就是環境輻射。但是，這也是一個令人興奮的結果，因為它會激勵我們想出其他方法來設計量子位元來解決這個問題。

宇宙的影響

超導量子位是由超導材料製成的電路。它們由大量成對電子組成，稱為庫珀對，它們在電路中無電阻流動，共同工作以維持量子位元的微弱疊加狀態。如果電路被加熱或被破壞，電子對就會分裂成「準粒子」，在量子位元中引起退相干，從而限制了其運行。

有許多退相干源可以使一個量子位元不穩定，例如波動的磁場、電場、熱能，甚至量子位元之間的幹擾。

長期以來，科學家們一直懷疑，極低水平的輻射可能會對量子位產生類似的不穩定效應。

科學家表示，在過去的五年裡，超導量子位元的質量有了很大的提高，現在我們距離產生輻射影響的目標只有十倍之多。

因此，科學家們將研究如何確定低水平環境輻射對量子位元的影響。他們設計了一些實驗，這些實驗可以屏蔽最小的輻射源，從而能夠看到中微子和其他難以探測的粒子。

「校準是關鍵」

研究團隊首先必須設計一個實驗，來校準已知輻射水平對超導量子位性能的影響。要做到這一點，他們需要一個已知的放射源 —— 它的輻射量降低得足夠慢，能夠在基本恆定的輻射水平下評估影響，同時又足夠快，可以在幾周內評估一系列輻射水平，直到背景輻射水平。

該小組選擇照射一層高純度的銅箔。當銅暴露於高通量的中子中時，會產生大量的銅-64，這是一種不穩定的同位素，具有所需的特性。

科學家解釋道，銅就像海綿一樣吸收中子。科學家對兩個小銅盤進行了幾分鐘的照射。然後，他們將其中一個圓盤放入奧利弗校園實驗室的稀釋冰箱中，緊挨著超導量子比特。在溫度比外層空間低約200倍的情況下，他們測量了銅的放射性對量子位相干性的影響，同時放射性降低 —— 下降到環境背景水平。

第二盤的放射性是在室溫下測量的，作為測量到達量子位的能級。通過這些測量和相關的模擬，研究小組了解了輻射水平和量子位元性能之間的關係，這可以用來推斷自然環境輻射的影響。基於這些測量，量子位相干時間將被限制在4毫秒左右。

「遊戲結束」

然後，研究小組移除了輻射源，並繼續證明屏蔽量子位不受環境輻射的影響可以提高相干時間。為了做到這一點，研究人員建造了一個2噸重的鉛磚牆，可以在剪刀式升降機上升降，既可以屏蔽冰箱，也可以讓冰箱暴露在周圍的輻射下。

在接下來的幾個星期裡，研究人員每隔10分鐘就按下一個按鈕，讓牆壁升高或降低，同時，一個探測器會測量量子位元的完整性，或者「弛緩率」，這是一種測量環境輻射在有防護罩和沒有防護罩的情況下如何影響量子位元的方法。通過比較兩個結果，他們有效地提取了環境輻射的影響，證實了4毫秒的預測，證明屏蔽措施可以提高量子位的性能。

科學家表示，宇宙射線輻射很難消除。它非常具有穿透力，就像急流一樣直接穿透一切。如果你能深入地下，那輻射影響就會越來越少。也許，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。

當然，藏在深深的地下並不是唯一的選擇，科學家有辦法設計出在背景輻射下仍能工作的量子計算設備。

科學家解釋道，如果我們想發展這個產業，我們可能更願意減輕地面輻射的影響。我們可以考慮設計量子位元，使它們「耐輻射」，對準粒子不那麼敏感，或者為準粒子設計陷阱，這樣即使它們不斷被輻射產生，它們也可以從量子位元中流失。所以，這絕對不是遊戲結束，這只是我們需要解決的下一層洋蔥。

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