量子計算很快遭遇天花板?低強度環境輻射足以導致量子比特退相干

2020-12-04 手機鳳凰網

美國麻省理工學院和西北太平洋國家實驗室（PNNL）的研究人員最近發現，隨著量子計算領域的快速發展，量子比特的性能很快就會遇到阻礙。這項研究發表在 8 月 26 日的《自然》雜誌上。

研究表明，混凝土牆壁中微量元素和宇宙射線發出的低強度、無害的環境輻射足以導致量子比特的退相干。科研人員發現，如果不加以控制，這種輻射會將量子比特的性能限制在幾毫秒之內。要知道，近年來的量子比特的相干時間一直以指數級增長，性能最好的超導量子比特的相干時間從 1999 年的不到 1 納秒，提高到了今天的約 200 微秒。這也意味著，在未來幾年裡，環境輻射將是量子計算領域不得不面對的問題。

圖 | 宇宙射線可能會限制量子比特的性能，阻礙量子計算的發展。（來源：麻省理工學院 / Christine Daniloff）

量子計算機的阻礙

量子比特是量子計算機的邏輯元件，在量子信息學中是量子信息的計量單位。每個量子比特都有一種奇怪的能力，可以處於量子疊加態，同時存在兩種狀態，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比特，那麼它的速度將會呈指數級增長，並且能夠處理比現在的傳統計算機複雜得多的問題。

但這一切都取決於一個量子比特的完整性，或者在疊加態和量子信息丟失之前，一個量子比特能運行多長時間，這個過程被稱為 「退相干」，它最終會限制計算機的運行時間。超導量子比特是當今最主要的量子比特模態，它已經在這一關鍵指標上取得了指數級的進步。

如此一來，可能在短短幾年內，量子計算機就會碰到由輻射誘發的障礙。為了克服這一障礙，科學家們必須找到保護量子比特和量子計算機不受低強度輻射影響的方法。科學家們表示，或許可以在地下建造量子計算機，或者設計出能夠耐受輻射影響的量子比特才能解決這一問題。

麻省理工學院林肯實驗室研究員、電氣工程和計算機科學副教授 William Oliver 表示：「研究這些退相干機制就像剝洋蔥, 過去 20 年我們已經剝了很多層, 但是還有另外一層（即環境輻射）一直存在，這將限制我們在未來幾年內的發展。不過這也是一個令人興奮的結果，因為它將激勵我們去思考用其他方法來設計量子比特，並最終解決這個問題。」

圖 | 量子計算機內部（來源：IBM）

這篇論文的第一作者是 Antti Vepsalainen，他是麻省理工學院電子研究實驗室的博士後。他說：「超導量子比特對微弱的輻射的敏感性令人著迷。了解量子計算設備中的這些影響也可以在其他應用中有所幫助，例如天文學中使用的超導傳感器等。」

校準是關鍵

超導量子比特是由超導材料製成的電路。它們由成對的電子（即庫珀對）組成，它們在沒有電阻的情況下流經電路，並共同作用以維持量子比特的微弱疊加狀態。

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」，從而導致量子比特的退相干，進而限制了電路的工作。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也會對量子比特產生類似的破壞作用。因此，Oliver 和 Formaggio 聯手研究了低水平環境輻射是如何對量子比特產生影響的。作為中微子物理學家，Formaggio 在設計實驗方面造詣頗深，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。

該團隊與林肯實驗室和 PNNL 的合作者們一起，設計了一個實驗。首先他們必須校準已知輻射水平對超導量子比特性能的影響。為此，他們需要一個已知的放射源，而且該放射源的放射性要衰減得足夠慢，這樣才能在基本恆定的輻射水平下評估其影響，還要能很快地在幾周內評估出一定範圍的輻射水平，直至達到環境輻射的水平。

研究人員最終選擇照射一層高純度銅箔作為輻射源。當暴露於高通量的中子中時，銅會產生大量的銅 - 64，這是一種理想的不穩定同位素。「銅就像海綿一樣吸收中子。」

Formaggio 與麻省理工學院核反應堆實驗室的操作員合作，照射了兩小盤銅片，並持續了幾分鐘。然後，他們將小盤放在超導量子比特旁邊，一起置於實驗室中的稀釋制冷機中。在比外部空間冷 200 倍的溫度下，隨著銅 64 放射性降至環境正常水平，他們測量了銅的放射性對量子比特相干性的影響。

第二個小盤的放射性影響是放在室溫下測量的，以此作為對比。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比特性能之間的關係，而且可以用來推斷自然發生的環境輻射的影響。基於這些測量，量子比特的相干時間被限制為大約 4 毫秒。

遊戲還未結束

在接下來的實驗中，研究小組移除了輻射源，並繼續證明量子比特在屏蔽環境輻射影響時，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 噸重的升降鉛磚牆，它可以保護制冷機遠離輻射環境。「我們圍繞著這臺制冷機建了一個小城堡，」 Oliver 說。

隨後的幾個星期裡，Oliver 實驗室的學生們每隔 10 分鐘就輪流按下一個按鈕，讓保護牆升高或降低，同時，探測器會測量量子比特的完整性，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，如何影響量子比特的方法。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，同時證明屏蔽輻射能提高量子比特的性能。

Formaggio 說：「宇宙射線輻射很難消除，它非常具有穿透力。在地下，這些輻射會越來越少。也許沒有必要像建造中微子實驗一樣在地下深處建造量子計算機，但在地下深處，確實可以讓量子比特在更高的水平上運行。」

地下建造量子計算機並不是唯一的選擇，Oliver 表示還有一個辦法，就是設計出在正常輻射下仍能工作的量子計算設備。

Oliver 說：「如果我們想建立一個產業，我們就不得不考慮減輕輻射的影響。我們還可以考慮設計量子比特，使它們難以接觸輻射，使它們對準粒子不那麼敏感，或者為準粒子設計陷阱，讓準粒子從量子比特中流失。所以這絕對不是遊戲結束，這只是我們需要解決的下一層問題。」

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