宇宙射線可能會給未來的量子計算機帶來問題

2020-09-04 Sci大熊

量子計算機的研製是近年來各國激烈競爭的科學和技術高地。一項新的研究表明，即使在較低水平下，輻射也足以嚴重損害量子計算過程的穩定性。

量子計算機，簡單地說，它是一種可以實現量子計算的機器，是一種通過量子力學規律以實現數學和邏輯運算，處理和儲存信息能力的系統。它以量子態為記憶單元和信息儲存形式，以量子動力學演化為信息傳遞與加工基礎的量子通訊與量子計算，在量子計算機中其硬體的各種元件的尺寸達到原子或分子的量級。


量子計算 有可能以超快的速度處理複雜的問題。使之成為可能的是它利用量子位的方法（通常是亞原子粒子，例如電子），這些量子位使用量子特性來表示超過 常規位0 或 1的眾多組合 。當成對的量子位被「糾纏」時，它們可以以可預測的方式改變彼此的狀態，即使距離很長，也可以進一步提高處理能力。


所有這些都是有代價的。量子位對最小的擾動都非常敏感，在稱為退相干的過程中迅速衰減並消失。根據近日在《自然》雜誌上發表的新發現，宇宙輻射是造成退相干的原因之一，可能會造成特別麻煩。

這項新的研究基於一種量子計算，該量子計算使用超導材料通過帶電電子對產生量子位。這些發現表明，由我們周圍的普通材料（如混凝土結構）產生的自然輻射足以將這種狀態的使用壽命限制在幾毫秒之內，從而削弱了量子計算機的實際應用。宇宙射線產生的輻射會產生更大的影響。


這是一個問題，因為它會影響到基本上不受鉛或地下存儲方式包圍的任何此類系統。暴露於宇宙射線的任何位置都將是嘗試進行此類過程的理想之地。

研究的合著者，華盛頓裡奇蘭德太平洋西北國家實驗室的布倫特·范德溫德說：「任何基於超導量子位技術的量子計算機都必須非常明確地處理輻射的影​響。」

輻射通過在量子比特中沉積能量來破壞量子比特。在超導體中分解電子對幾乎不需要能量，這些對分解為自由電子，可能導致能量交換，從而破壞超導體的脆弱狀態。這會導致量子位丟失其量子狀態並衰減，從而終止任何實際的量子計算。


由麻省理工學院量子計算研究員安蒂·維普斯萊寧領導的小組將超導量子比特暴露於輻照的銅中，發現僅暴露於自然輻射水平的量子比特可穩定約4毫秒。這實際上比我們現在在量子計算實驗中看到的平均時間更長（約0.1毫秒的穩定性），但是對於實際的量子計算應用而言，即使是幾毫秒也仍然太短了。該研究強調，即使我們能夠消除其他退相干原因，例如物理振動或溫度變化，輻射仍將使量子計算變得困難。

德克薩斯大學奧斯汀分校的量子計算研究員Shyam Shankar說，這一發現「並不太令人驚訝」。「我想說很多人都希望這會發生。但是我們並不確切知道這種輻射會影響量子位。」 這部分是由於實際進行這些實驗有多困難。他說：「很高興看到其他人實際上完成了實驗並獲得了該現象的實際值，」 量子計算工程師可以部署糾錯機制來幫助減輕這些影響，但是目前它們太慢了，無法趕上輻射引起的量子比特去相干。


由於宇宙射線的輻射水平很低，且遍及地球表面的大部分位置，因此減輕輻射幹擾的最佳方法可能是最簡單的：屏蔽量子比特設備免受輻射（通過使用鉛等材料）或將其構建在地下。VanDevender認為可能存在理想的中間地帶，需要適當的屏蔽和淺地下位置。換句話說，「如果要構建量子計算機，請將其放在地下室中。」 未來的工程師可能還會研究開發對輻射不太敏感的量子比特。

儘管對於量子計算來說這不是一個好消息，但這項研究可能有一個光明的一面。事實證明，量子比特或類似的東西是出色的輻射探測器。希望在尋找暗物質或實驗時提高靈敏度，這可能會揭示我們的粒子物理學標準模型中一些長期存在的缺陷。


部分資料來源：尼爾·帕特爾

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