Космические лучи могут скоро заблокировать квантовые вычисления

Практичность квантовых вычислений зависит от целостности квантового бита или кубита.

Кубиты, логические элементы квантовых компьютеров, представляют собой согласованные двухуровневые системы, представляющие квантовую информацию. Каждый кубит обладает странной способностью находиться в квантовой суперпозиции, одновременно неся аспекты обоих состояний, что позволяет использовать квантовую версию параллельных вычислений. Квантовые компьютеры, если их можно масштабировать для размещения множества кубитов на одном процессоре, могли бы быть головокружительно быстрее и способны справляться с гораздо более сложными проблемами, чем современные обычные компьютеры.

Но все зависит от целостности кубита или от того, как долго он может работать, прежде чем его суперпозиция и квантовая информация будут потеряны — процесс, называемый декогеренцией, который в конечном итоге ограничивает время работы компьютера. Сверхпроводящие кубиты — ведущая модальность кубитов сегодня — достигли экспоненциального улучшения этого ключевого показателя: с менее чем одной наносекунды в 1999 году до примерно 200 микросекунд сегодня для наиболее эффективных устройств.

Но исследователи из Массачусетского технологического института, лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) обнаружили, что производительность кубита скоро упадет. В статье, опубликованной в Nature , команда сообщает, что низкоуровневого, безвредного фонового излучения, испускаемого микроэлементами в бетонных стенах и входящими космическими лучами, достаточно, чтобы вызвать декогеренцию в кубитах. Они обнаружили, что этот эффект, если его не ослабить, ограничит производительность кубитов всего несколькими миллисекундами.

Учитывая скорость, с которой ученые совершенствуют кубиты, они могут столкнуться с этой радиационной стеной всего через несколько лет. Чтобы преодолеть этот барьер, ученым придется найти способы защитить кубиты — и любые практические квантовые компьютеры — от излучения низкого уровня, возможно, построив компьютеры под землей или разработав кубиты, устойчивые к воздействию излучения.

«Эти механизмы декогеренции подобны луковице, и мы отслаивали слои в течение последних 20 лет, но есть еще один слой, который не ослабевает, и который ограничит нас через пару лет, а именно излучение окружающей среды», — говорит Уильям Оливер. адъюнкт-профессор электротехники и информатики и научный сотрудник лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института. «Это захватывающий результат, потому что он побуждает нас думать о других способах создания кубитов, чтобы обойти эту проблему».

Ведущий автор статьи — Антти Вепсяляйнен, постдок исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института.

«Удивительно, насколько чувствительны сверхпроводящие кубиты к слабому излучению. Понимание этих эффектов в наших устройствах также может быть полезно в других приложениях, таких как сверхпроводящие датчики, используемые в астрономии», — говорит Вепсяляйнен.

Соавторами Массачусетского технологического института являются Амир Карамлу, Акшунна Догра, Франциска Васконселос, Саймон Густавссон и профессор физики Джозеф Формаджо, а также Дэвид Ким, Александр Мелвилл, Бетани Недзельски и Джонилин Йодер из лаборатории Линкольна, а также Джон Оррелл, Бен Лоер и Брент ВанДевендер из PNNL.

Космический эффект

Сверхпроводящие кубиты — это электрические цепи, сделанные из сверхпроводящих материалов. Они состоят из множества парных электронов, известных как пары Купера, которые протекают по цепи без сопротивления и работают вместе, чтобы поддерживать тонкое состояние суперпозиции кубита. Если цепь нагревается или иным образом нарушается, электронные пары могут разделиться на «квазичастицы», вызывая декогеренцию в кубите, ограничивающую его работу.

Существует множество источников декогеренции, которые могут дестабилизировать кубит, например, флуктуирующие магнитные и электрические поля, тепловая энергия и даже интерференция между кубитами.

Ученые давно подозревали, что очень низкие уровни радиации могут иметь аналогичный дестабилизирующий эффект на кубиты.

«За последние пять лет качество сверхпроводящих кубитов стало намного лучше, и теперь мы в 10 раз меньше, чем влияние излучения», — добавляет Ким, технический сотрудник MIT Lincoln Laboratotry. .

Итак, Оливер и Формаджо объединились, чтобы посмотреть, как они могут определить влияние низкоуровневого излучения окружающей среды на кубиты. Как нейтринный физик, Формаджо имеет опыт в разработке экспериментов, которые защищают от мельчайших источников излучения, чтобы иметь возможность видеть нейтрино и другие трудно обнаруживаемые частицы.

«Калибровка — ключ к успеху»

Команда, работающая с сотрудниками из Lincoln Laboratory и PNNL, сначала должна была разработать эксперимент по калибровке влияния известных уровней излучения на производительность сверхпроводящего кубита. Для этого им нужен был известный радиоактивный источник — тот, который становился менее радиоактивным достаточно медленно, чтобы оценить воздействие при практически постоянных уровнях радиации, но достаточно быстро, чтобы оценить диапазон уровней радиации в течение нескольких недель, вплоть до уровня фона. радиация.

Группа решила облучить фольгу из меди высокой чистоты. Под воздействием сильного потока нейтронов медь производит большое количество меди-64, нестабильного изотопа с точно желаемыми свойствами.

«Медь просто поглощает нейтроны, как губка», — говорит Формаджо, который работал с операторами ядерной реакторной лаборатории Массачусетского технологического института над облучением двух маленьких дисков меди в течение нескольких минут. Затем они поместили один из дисков рядом со сверхпроводящими кубитами в холодильник для разбавления в лаборатории Оливера на территории кампуса. При температурах, примерно в 200 раз холоднее, чем в космосе, они измерили влияние радиоактивности меди на когерентность кубитов, в то время как радиоактивность снизилась — до уровня фона окружающей среды.

Радиоактивность второго диска была измерена при комнатной температуре как индикатор уровней, попадающих в кубит. С помощью этих измерений и связанных с ними симуляций команда поняла связь между уровнями излучения и производительностью кубита, которую можно использовать для определения эффекта естественного излучения окружающей среды. Основываясь на этих измерениях, время когерентности кубита будет ограничено примерно 4 миллисекундами.

«Игра не окончена»

Затем группа удалила радиоактивный источник и приступила к демонстрации того, что защита кубитов от излучения окружающей среды улучшает время когерентности. Для этого исследователи построили 2-тонную стену из свинцовых кирпичей, которую можно было поднимать и опускать на ножничном подъемнике, чтобы защитить или защитить холодильник от окружающей радиации.

«Мы построили небольшой замок вокруг этого холодильника», — говорит Оливер.

Каждые 10 минут и в течение нескольких недель студенты в лаборатории Оливера поочередно нажимали кнопку, чтобы поднять или опустить стену, в то время как детектор измерял целостность кубитов или «скорость релаксации», меру того, как излучение окружающей среды влияет на кубит. , с экраном и без него. Сравнивая два результата, они эффективно извлекли влияние, приписываемое излучению окружающей среды, подтвердив прогноз в 4 миллисекунды и продемонстрировав, что экранирование улучшает производительность кубита.

«От излучения космических лучей трудно избавиться», — говорит Формаджо. «Он очень проникающий и проходит через все, как струйный поток. Если вы спуститесь под землю, его будет становиться все меньше и меньше. Вероятно, нет необходимости строить квантовые компьютеры глубоко под землей, как эксперименты с нейтрино, но, возможно, в глубоких подвальных помещениях могут быть кубиты. работает на улучшенном уровне «.

Уйти в подполье — не единственный вариант, и у Оливера есть идеи, как проектировать устройства квантовых вычислений, которые все еще работают в условиях фонового излучения.

«Если мы хотим создать промышленность, мы, вероятно, предпочтем смягчить воздействие радиации над землей», — говорит Оливер. «Мы можем подумать о разработке кубитов таким образом, чтобы они были« радикально жесткими »и менее чувствительными к квазичастицам, или разработать ловушки для квазичастиц, чтобы, даже если они постоянно генерируются излучением, они могли улетать от кубита. . Так что это определенно не конец игры, это просто следующий слой луковицы, который нам нужно решить ».

Это исследование частично финансировалось Управлением ядерной физики Министерства энергетики США, Исследовательским бюро армии США, Министерством обороны США и Национальным научным фондом США.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Массачусетским технологическим институтом . Оригинал написан Дженнифер Чу. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Антти П. Вепсяляйнен, Амир Х. Карамлоу, Джон Л. Оррелл, Акшунна С. Догра, Бен Лоер, Франциска Васконселос, Дэвид К. Ким, Александр Дж. Мелвилл, Бетани М. Недзельски, Джонилин Л. Йодер, Саймон Густавссон, Джозеф А. Формаджо, Брент А. ВанДевендер, Уильям Д. Оливер. Влияние ионизирующего излучения на когерентность сверхпроводящего кубита . Природа , 2020; 584 (7822): 551 DOI: 10.1038 / s41586-020-2619-8