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只能工作数毫秒?量子计算机快要陷入困境

时间: 2020年09月07日 | 作者: Jennifer Chu | 来源: MIT News Office
研究指出,量子计算机很快会遇到一座壁垒:随着量子比特越来越稳定,它将更容易受到低强度环境辐射的影响。



近日 MIT 团队在 Nature 发表的研究指出,量子计算机很快会遇到一座壁垒:随着量子比特越来越稳定,它将更容易受到低强度环境辐射的影响,这种影响将把量子比特退相干时间限制在 4 毫秒。为突破这一瓶颈,研究团队建议将量子计算机建在地下,或者研发对辐射有更强“抵抗力”的量子比特。


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图片来源:Christine Daniloff, MIT


来源 MIT News Office

撰文 Jennifer Chu

翻译 阿金

审校 戚译引


量子计算的实用价值取决于量子比特(qubit)的完整性。量子比特是量子计算机的逻辑元素,代表着量子信息的两能级相干系统。处在量子叠加态的每一个量子比特拥有奇异的能力,可同时携带两种状态,实现量子版本的并行计算。如果可以扩展量子计算机,在一个处理器上容纳大量量子比特,那么与当今的常规计算机相比,它们的速度会快许多,也能处理更加复杂的问题。


但以上这一切都取决于量子比特的完整性,也就是说在量子比特的叠加态和量子信息丢失之前,它能够运行多久。这种过程称为退相干,最终会限制计算机的运行时间。超导量子比特是当今主要的量子比特模态,已经在完整性这一关键指标上取得了指数级的提升,1999 年时它的持续运行时间还不到一纳秒,如今性能最好的设备已经达到了约 200 微秒。


然而,麻省理工学院林肯实验室(MIT Lincoln Laboratory)和太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory,简称 PNNL)的研究人员却发现,量子比特性能很快就会遇到一个壁垒。在一篇发表在《自然》(Nature)的论文中,研究团队报告说,混凝土墙体中微量元素释放的低水平但无害的背景辐射,以及进入地球的宇宙射线,两者足以引发量子比特的退相干。他们还发现,如果置之不理,这一现象将会将量子比特的性能限制在仅仅数毫秒。


鉴于科学家们改进量子比特的速度,几年之后他们可能就会遇到辐射造成的瓶颈。为了攻克这一障碍,科学家未来必须找出保护量子比特以及任何实用的量子计算机的方法,使其免于低水平辐射的干扰,比如他们或许可以在地下建造计算机,或者设计出能够抵挡辐射影响的量子比特。


“这些退相干机制就像一只洋葱,在过去的 20 年内,我们将它层层剥开,但几年之后我们就会遇到一层限制,那就是环境辐射。”MIT 的电子工程和计算机科学教授、林肯实验室成员 William Oliver 说,“这结果令人兴奋,因为会激励我们想出其他方式来设计量子比特,绕过这个问题。”


该论文的主要作者、MIT 电子研究实验室的博士后 Antti Vepsäläinen 说:“超导量子比特对于弱辐射有多敏感,这个问题令人着迷。理解设备中的这些影响,也会有助于理解其他方面的应用,比如天文学用到的超导传感器。”


同样来自 MIT 的共同作者包括 Amir Karamlou,Akshunna Dogra,Francisca Vasconcelos,Simon Gustavsson 和物理学教授 Joseph Formaggio,还有 David Kim, Alexander Melville,Bethany Niedzielski,和林肯实验室的 Jonilyn Yoder,来自 PNNL 的 John Orrell,Ben Loer 和 Brent VanDevender。


宇宙效应


超导量子比特是由超导材料制成的电路,它们包含许多成对电子,也就是库珀对(Cooper pairs)。这些电子对在电路中流动,没有电阻,共同维持量子比特脆弱的叠加态。如果电路受热或者遭到干扰,电子对会分裂成“准粒子”,引发量子比特的退相干,限制其运行。


让量子比特不稳定的退相干源有许多,例如波动的磁场和电场、热能,甚至是量子比特之间的干扰。长久以来,科学家一直怀疑极低水平的辐射可能也会对量子比特产生类似的影响,破坏其稳定性。


“在过去的五年内,超导量子比特的质量已经大幅提升,现在,我们有不到十分之一的概率碰上辐射影响。”Kim 补充说。他是林肯实验室的技术人员。


所以,Oliver 和 Formagio 联手调查如何确定低水平环境辐射对量子比特的影响。作为一名中微子物理学家,Formaggio 掌握着设计实验的专业知识,可屏蔽最小的辐射源,从而能够看清中微子和其他难以探测的粒子。


“校准是关键”


两人和林肯实验室以及 PNNL 的研究人员合作,首先他们要设计实验,以校准已知辐射水平对超导量子比特性能的影响。为此,他们需要一个已知的辐射源,其辐射水平降低的速度要足够慢,以便让研究人员在基本恒定的辐射水平处评估影响;同时这个速度又要足够快,才能让他们在几周内评估从初始强度到背景辐射的一系列辐射水平。


团队选择对高纯度铜箔片进行辐照。当暴露在高通量中微子流中时,铜会产生大量的同位素铜-64,这是一种不稳定同位素,其特性完全符合他们的需求。


Formaggio 说:“铜就像海绵一样,不停吸收中微子。”他与 MIT 核反应实验室的操作员一起,花几分钟的时间辐射两小盘圆形铜片。接下来,他们将一个铜片放在超导量子比特旁边,这两样东西都放置于 Oliver 学校实验室的稀释制冷机中。制冷机里面的温度只有外太空温度的二百分之一,随着铜的放射性逐渐降低至环境背景水平,他们在不同的放射性下测量其对量子比特相干性的影响。


而第二张铜片则在室温下测量,作为自然环境下辐射水平影响量子比特的标准参照。通过这些测量和相关模拟,团队明白了辐射水平和量子比特性能之间的关系,由此可推导出自然环境中辐射的影响。基于以上测量,量子比特相干时间将会被限制到约 4 毫秒。


“游戏还没结束”


接下来,团队移除了辐射源,着手证明屏蔽掉环境辐射的影响能够提高量子比特的相干时间。为此,研究人员用铅块建造一堵两吨重的墙,放在剪叉式升降机上,通过升降控制制冷机是否受到环境辐射的影响。


“我们给这台制冷机四周砌了一座小型堡垒。”Oliver 说道。


在接下来的几周内,每隔 10 分钟,Oliver 实验室的学生们轮流按下按钮,让铅墙升起或落下,同时有一台检测器会测量量子比特的完整性,或者说弛豫速率,他们以这种方式评估测量在有或无屏障的情况下,环境辐射是否影响量子比特。通过比较两组结果,他们有效地总结出环境辐射产生的影响,确认了 4 毫秒的预测,证明了屏蔽可改善量子比特性能。


“宇宙射线很难摆脱。”Formaggio 说,“它具有非常强大的穿透力,可以像喷流一样穿过任何事物。如果你往地下走,那么受到的射线会越来越少。可能不一定非要在地底深处建造量子计算机,就像中微子实验那样,但深层地下设施可提高量子比特的运行水平。”


进入地下不是唯一选项,Oliver 已经有思路,想要设计出面对背景辐射也能正常运行的量子计算设备。


“如果我们想要建立一套产业,我们更倾向于在地面上减少辐射的影响。”Oliver 说,“我们可以考虑设计出能够‘抗辐射’的量子比特,并且对准粒子不那么敏感,也可以设计准粒子捕获阱,这样即便辐射不断产生准粒子,它们会立刻从量子比特中流出去。所以,这绝对不是结局,我们需要做的就是揭开洋葱的下一层。”


Vepsäläinen, A.P., Karamlou, A.H., Orrell, J.L. et al. Impact of ionizing radiation on superconducting qubit coherence. Nature 584, 551–556 (2020). 

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2619-8 


来源链接:

https://eurekalert.org/emb_releases/2020-08/miot-crm082420.php