李亞山

宇宙射線可能會(huì)限制量子比特的性能，阻礙量子計(jì)算的發(fā)展

美國(guó)麻省理工學(xué)院和西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的研究人員最近發(fā)現(xiàn)，隨著量子計(jì)算領(lǐng)域的快速發(fā)展，量子比特的性能很快就會(huì)遇到阻礙。這項(xiàng)研究發(fā)表在 8 月 26 日的《自然》雜志上。

研究表明，混凝土墻壁中微量元素和宇宙射線發(fā)出的低強(qiáng)度、無害的環(huán)境輻射足以導(dǎo)致量子比特的退相干。科研人員發(fā)現(xiàn)，如果不加以控制，這種輻射會(huì)將量子比特的性能限制在幾毫秒之內(nèi)。要知道，近年來的量子比特的相干時(shí)間一直以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，性能最好的超導(dǎo)量子比特的相干時(shí)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，在未來幾年里，環(huán)境輻射將是量子計(jì)算領(lǐng)域不得不面對(duì)的問題。

量子計(jì)算機(jī)的阻礙

量子比特是量子計(jì)算機(jī)的邏輯元件，在量子信息學(xué)中是量子信息的計(jì)量單位。每個(gè)量子比特都有一種奇怪的能力，可以處于量子疊加態(tài)，同時(shí)存在兩種狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)量子版本的并行計(jì)算。如果量子計(jì)算機(jī)能夠在一個(gè)處理器上容納許多量子比特，那么它的速度將會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，并且能夠處理比現(xiàn)在的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)復(fù)雜得多的問題。

但這一切都取決于一個(gè)量子比特的完整性，或者在疊加態(tài)和量子信息丟失之前，一個(gè)量子比特能運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間，這個(gè)過程被稱為 “退相干”，它最終會(huì)限制計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。超導(dǎo)量子比特是當(dāng)今最主要的量子比特模態(tài)，它已經(jīng)在這一關(guān)鍵指標(biāo)上取得了指數(shù)級(jí)的進(jìn)步。

如此一來，可能在短短幾年內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)就會(huì)碰到由輻射誘發(fā)的障礙。為了克服這一障礙，科學(xué)家們必須找到保護(hù)量子比特和量子計(jì)算機(jī)不受低強(qiáng)度輻射影響的方法?？茖W(xué)家們表示，或許可以在地下建造量子計(jì)算機(jī)，或者設(shè)計(jì)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(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研究員、電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授 William Oliver 表示：“研究這些退相干機(jī)制就像剝洋蔥， 過去 20 年我們已經(jīng)剝了很多層， 但是還有另外一層（即環(huán)境輻射）一直存在，這將限制我們?cè)谖磥韼啄陜?nèi)的發(fā)展。不過這也是一個(gè)令人興奮的結(jié)果，因?yàn)樗鼘⒓?lì)我們?nèi)ニ伎加闷渌椒▉碓O(shè)計(jì)量子比特，并最終解決這個(gè)問題?！边@篇論文的第一作者是 Antti Vepsalainen，他是麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的博士后。他說：“超導(dǎo)量子比特對(duì)微弱的輻射的敏感性令人著迷。了解量子計(jì)算設(shè)備中的這些影響也可以在其他應(yīng)用中有所幫助，例如天文學(xué)中使用的超導(dǎo)傳感器等?！?h3>校準(zhǔn)是關(guān)鍵

超導(dǎo)量子比特是由超導(dǎo)材料制成的電路。它們由成對(duì)的電子（即庫珀對(duì)）組成，它們?cè)跊]有電阻的情況下流經(jīng)電路，并共同作用以維持量子比特的微弱疊加狀態(tài)。如果電路被加熱或以其他方式破壞，電子對(duì)可能分裂成 “準(zhǔn)粒子”，從而導(dǎo)致量子比特的退相干，進(jìn)而限制了電路的工作。有許多退相干源可能會(huì)使量子比特不穩(wěn)定，例如波動(dòng)的磁場(chǎng)和電場(chǎng)，熱能，甚至量子比特之間的干擾。

長(zhǎng)期以來，科學(xué)家一直懷疑很低的輻射也會(huì)對(duì)量子比特產(chǎn)生類似的破壞作用。因此，Oliver 和 Formaggio 聯(lián)手研究了低水平環(huán)境輻射是如何對(duì)量子比特產(chǎn)生影響的。作為中微子物理學(xué)家，F(xiàn)ormaggio 在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方面造詣?lì)H深，這些實(shí)驗(yàn)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(cè)的粒子。

該團(tuán)隊(duì)與林肯實(shí)驗(yàn)室和 PNNL 的合作者們一起，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。首先他們必須校準(zhǔn)已知輻射水平對(duì)超導(dǎo)量子比特性能的影響。為此，他們需要一個(gè)已知的放射源，而且該放射源的放射性要衰減得足夠慢，這樣才能在基本恒定的輻射水平下評(píng)估其影響，還要能很快地在幾周內(nèi)評(píng)估出一定范圍的輻射水平，直至達(dá)到環(huán)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(dāng)暴露于高通量的中子中時(shí)，銅會(huì)產(chǎn)生大量的銅-64，這是一種理想的不穩(wěn)定同位素?！般~就像海綿一樣吸收中子?！盕ormaggio 與麻省理工學(xué)院核反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)室的操作員合作，照射了兩小盤銅片，并持續(xù)了幾分鐘。然后，他們將小盤放在超導(dǎo)量子比特旁邊，一起置于實(shí)驗(yàn)室中的稀釋制冷機(jī)中。在比外部空間冷 200 倍的溫度下，隨著銅 64 放射性降至環(huán)境正常水平，他們測(cè)量了銅的放射性對(duì)量子比特相干性的影響。第二個(gè)小盤的放射性影響是放在室溫下測(cè)量的，以此作為對(duì)比。通過這些測(cè)量和相關(guān)的模擬，該團(tuán)隊(duì)了解了輻射水平和量子比特性能之間的關(guān)系，而且可以用來推斷自然發(fā)生的環(huán)境輻射的影響。基于這些測(cè)量，量子比特的相干時(shí)間被限制為大約 4 毫秒。

游戲還未結(jié)束

在接下來的實(shí)驗(yàn)中，研究小組移除了輻射源，并繼續(xù)證明量子比特在屏蔽環(huán)境輻射影響時(shí)，可以提高相干時(shí)間。

為了做到這一點(diǎn)，研究人員建造了一個(gè) 2 噸重的升降鉛磚墻，它可以保護(hù)制冷機(jī)遠(yuǎn)離輻射環(huán)境?！拔覀儑@著這臺(tái)制冷機(jī)建了一個(gè)小城堡，” Oliver 說。隨后的幾個(gè)星期里，Oliver 實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生們每隔 10 分鐘就輪流按下一個(gè)按鈕，讓保護(hù)墻升高或降低，同時(shí)，探測(cè)器會(huì)測(cè)量量子比特的完整性，這是一種測(cè)量環(huán)境輻射在有防護(hù)罩和沒有防護(hù)罩的情況下，如何影響量子比特的方法。通過比較兩個(gè)結(jié)果，他們有效地提取了環(huán)境輻射的影響，證實(shí)了 4 毫秒的預(yù)測(cè)，同時(shí)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(huì)越來越少。也許沒有必要像建造中微子實(shí)驗(yàn)一樣在地下深處建造量子計(jì)算機(jī)，但在地下深處，確實(shí)可以讓量子比特在更高的水平上運(yùn)行?！?p>

量子計(jì)算機(jī)內(nèi)部

地下建造量子計(jì)算機(jī)并不是唯一的選擇，Oliver 表示還有一個(gè)辦法，就是設(shè)計(jì)出在正常輻射下仍能工作的量子計(jì)算設(shè)備。Oliver 說：“如果我們想建立一個(gè)產(chǎn)業(yè)，我們就不得不考慮減輕輻射的影響。我們還可以考慮設(shè)計(jì)量子比特，使它們難以接觸輻射，使它們對(duì)準(zhǔn)粒子不那么敏感，或者為準(zhǔn)粒子設(shè)計(jì)陷阱，讓準(zhǔn)粒子從量子比特中流失。所以這絕對(duì)不是游戲結(jié)束，這只是我們需要解決的下一層問題。”（摘自美《深科技》）（編輯/費(fèi)勒萌）