麻省理工学院 自然辐射可能会干扰超导暗物质探测器(见此处)和超导量子位
信用:蒂莫西荷兰，PNNL 量子计算的实用性取决于量子位的完整性
量子位是量子计算机的逻辑元件，是代表量子信息的相干二能级系统
每个量子位都有一种奇怪的能力，可以处于量子叠加状态，同时携带两种状态的各个方面，从而实现量子版本的并行计算
量子计算机，如果它们可以被扩展到在一个处理器上容纳许多量子位，可能会比今天的传统计算机快得多，并且能够处理更复杂的问题
但这一切都取决于量子位的完整性，或者它在叠加和量子信息丢失之前可以运行多长时间——这一过程被称为退相干，最终限制了计算机的运行时间
超导量子位——当今领先的量子位形式——在这一关键指标上取得了指数级的进步，从1999年的不到1纳秒到今天性能最好的器件的约200微秒
但是麻省理工学院、麻省理工学院林肯实验室和太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员发现，一个量子比特的性能很快就会碰壁
在《自然》杂志发表的一篇论文中，该团队报告说，混凝土墙中的微量元素和进入的宇宙射线发出的低水平、否则无害的背景辐射足以导致量子位的退相干
他们发现，这种效应，如果不加以改善，会将量子位的性能限制在几毫秒之内
考虑到科学家改进量子位的速度，他们可能会在几年内撞上辐射引发的墙
为了克服这一障碍，科学家们必须找到保护量子位(以及任何实用的量子计算机)免受低水平辐射的方法，也许可以通过在地下建造计算机或者设计能够耐受辐射影响的量子位
麻省理工学院电子工程和计算机科学副教授、林肯实验室研究员威廉·奥利弗说:“这些退相干机制就像洋葱，过去20年来我们一直在剥洋葱皮，但还有一层继续存在，将在几年内限制我们，那就是环境辐射。”
“这是一个令人兴奋的结果，因为它激励我们思考设计量子位的其他方法来解决这个问题
" 这篇论文的主要作者是麻省理工学院电子研究实验室的博士后安蒂·韦普斯林
“超导量子比特对微弱辐射的敏感程度令人着迷
了解我们设备中的这些效应也有助于其他应用，如天文学中使用的超导传感器，”韦普斯莱宁说
麻省理工学院的合著者包括阿米尔·卡拉姆卢、阿克苏娜·多格拉、弗朗西斯卡·赛洛斯、西蒙·古斯塔夫松和物理学教授约瑟夫·福马吉奥，以及来自林肯实验室的大卫·金、亚历山大·梅尔维尔、贝瑟尼·尼泽尔斯基和琼尼林·约德，以及来自PNNL的约翰·奥瑞尔、本·勒和布伦特·范德文德
以x光、β射线、宇宙射线和γ射线形式出现的自然辐射可以穿透超导量子位，干扰量子相干性
信用:迈克尔帕金斯，PNNL 宇宙效应 超导量子位是由超导材料制成的电路
它们由众多成对的电子组成，被称为库珀对，这些电子在电路中流动时没有阻力，它们一起工作来维持量子位微弱的叠加态
如果电路被加热或以其他方式中断，电子对会分裂成“准粒子”，导致量子位的退相干，从而限制了它的运行
退相干有许多来源可以使量子位不稳定，例如波动的磁场和电场、热能，甚至量子位之间的干扰
科学家们长期以来一直怀疑，极低水平的辐射可能会对量子位产生类似的不稳定效应
“在过去的五年里，超导量子位的质量已经变得好得多，现在我们离辐射的影响还有十分之一的距离，”麻省理工学院林肯实验室的技术人员金补充道
因此，奥利弗和福马吉奥合作研究如何确定低水平环境辐射对量子位的影响
作为一名中微子物理学家，福马乔在设计屏蔽最小辐射源的实验方面很有专长，能够看到中微子和其他难以探测的粒子
太平洋西北国家实验室浅地下实验室超低辐射探测设施的一名工人
信用:安德烈斯塔尔，PNNL “校准是关键” 该团队与林肯实验室和PNNL的合作者合作，首先设计了一个实验来校准已知辐射水平对超导量子比特性能的影响
要做到这一点，他们需要一种已知的放射源——这种放射源的放射性降低得足够慢，可以在基本恒定的辐射水平下评估其影响，但又足够快，可以在几周内评估一系列辐射水平，低至背景辐射水平
该小组选择照射高纯度的铜箔
当暴露在高中子通量下时，铜会产生大量的铜-64，这是一种不稳定的同位素，具有理想的性质
“铜就像海绵一样吸收中子，”福马乔说，他和麻省理工学院核反应堆实验室的操作员一起工作，对两个小铜盘进行了几分钟的照射
然后，他们将其中一个圆盘放在奥利弗校园实验室的稀释冰箱中超导量子位旁边
在比外层空间低约200倍的温度下，他们测量了铜的放射性对量子位相干性的影响，同时放射性下降——下降到环境背景水平
第二个圆盘的放射性是在室温下测量的，作为撞击量子位的水平的标尺
通过这些测量和相关的模拟，研究小组了解了辐射水平和量子位性能之间的关系，这种关系可以用来推断自然发生的环境辐射的影响
基于这些测量，量子位相干时间将被限制在大约4毫秒
“游戏还没结束” 该团队随后移除了放射源，并继续证明屏蔽量子位免受环境辐射会提高相干时间
为此，研究人员建造了一堵2吨重的铅砖墙，可以在剪式升降机上升降，以屏蔽或暴露冰箱周围的辐射
“我们在这个冰箱周围建了一个小城堡，”奥利弗说
每隔10分钟，奥利弗实验室的学生在几周内轮流按下按钮来升高或降低墙壁，探测器测量量子位的完整性，或“弛豫率”，这是一种测量环境辐射如何影响量子位的方法，有或没有屏蔽
通过比较这两个结果，他们有效地提取了归因于环境辐射的影响，证实了4毫秒的预测，并证明屏蔽提高了量子位的性能
“宇宙射线辐射很难消除，”福马吉奥说
“它非常有穿透力，像急流一样穿过一切
如果你去地下，那会越来越少
或许没有必要在地下深处建造量子计算机，比如中微子实验，但或许地下室深处的设施可能会让量子比特以更高的水平运行
" 转入地下并不是唯一的选择，奥利弗对如何设计在背景辐射下仍能工作的量子计算设备有想法
“如果我们想建立一个产业，我们可能更愿意减轻地面辐射的影响，”奥利弗说
“我们可以考虑设计量子位，使它们‘非常坚硬’，对准粒子不太敏感，或者设计准粒子陷阱，这样即使它们不断被辐射产生，它们也能从量子位中流出
所以这绝对不是游戏结束，这只是我们需要解决的下一层问题
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
