MIT新研究給量子計(jì)算機(jī)「潑冷水」：自然界輻射會(huì)干擾它，需要研究新對策 | Nature

十三 2020-09-03 13:35:34 來源：量子位

金磊 發(fā)自 凹非寺

量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

谷歌去年提出的「量子優(yōu)越性」，在業(yè)界引起了不小的轟動(dòng)。

畢竟，量子運(yùn)算200秒，相當(dāng)于地球最強(qiáng)超算100年。

看似前景一片大好。

然而，MIT 最近的一項(xiàng)研究卻給量子計(jì)算的發(fā)展?jié)娏艘慌琛咐渌梗?/p>

宇宙射線發(fā)出的低強(qiáng)度無害背景輻射，足以導(dǎo)致量子比特退相干。

要知道，這種「背景輻射」，可以說是一種充滿整個(gè)宇宙的電磁輻射。

并且，研究還登上了近期的 Nature 雜志。

為什么量子計(jì)算如此「脆弱」？

量子比特（qubits）的完整性是一個(gè)關(guān)鍵問題。

量子比特，是量子計(jì)算中的邏輯元素，每個(gè)量子比特都有一個(gè)「神奇的能力」，就是可以處于「量子疊加態(tài)」。

這種能力讓量子比特可以同時(shí)存在2種狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了量子版的并行計(jì)算。

因此，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)若是能夠在一個(gè)處理器上，擴(kuò)展容納許多量子比特，那么就會(huì)比現(xiàn)在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)速度要快上很多，而且還能解決更為復(fù)雜的問題。

但這一切都取決于量子比特的完整性。換言之，就是取決于它能在疊加態(tài)和量子信息丟失之前，能夠工作多長時(shí)間。

這個(gè)過程叫做退相干，最終限制了量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。

但最近，MIT?和太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室?（PNNL）的研究人員卻發(fā)現(xiàn)，混凝土墻壁中的微量元素，以及宇宙射線發(fā)出的低水平、無害的輻射，卻會(huì)足以引起這種「退相干」現(xiàn)象的發(fā)生。

他們首先設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，要做的就是「校準(zhǔn)已知輻射水平對超導(dǎo)量子比特的影響」。

為此，他們需要一個(gè)已知的放射源，它的放射性既要「慢」，又要「快」。

慢，是指要慢到足以評(píng)估基本恒定輻射水平下的影響；快，是指要快得足以在幾周內(nèi)評(píng)估一系列輻射水平，直到背景輻射水平。

團(tuán)隊(duì)選擇了一種高純度的銅箔，當(dāng)暴露在高通量的中子下時(shí)，銅會(huì)產(chǎn)生大量的64Cu（銅-64），這是一種不穩(wěn)定的同位素，性質(zhì)方面較為理想。

他們準(zhǔn)備了2盤這樣的銅片，先照射了它們幾分鐘，將其中1盤放在超導(dǎo)量子比特旁，再一起置于稀釋制冷機(jī)中。

制冷機(jī)的溫度大約在零下200度左右，而隨著64Cu放射性降至正常環(huán)境水平，研究人員測量出了輻射對量子比特退相干的影響。

作為對比，第2盤銅片的實(shí)驗(yàn)是在常溫下進(jìn)行，也測量了在這種情況下，輻射與量子比特退相干之間的影響。

他們發(fā)現(xiàn)，若是不加以緩和，會(huì)把量子比特的性能限制在幾毫秒之內(nèi)（目前性能較好的可達(dá)到200微秒）。

對此，MIT 電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授 William Oliver 表示：

這些退相干的機(jī)制就像一個(gè)洋蔥，過去20年，我們在一層一層剝開它。但現(xiàn)在還有一層，若是不加以限制，幾年內(nèi)就會(huì)限制我們的發(fā)展，這就是環(huán)境輻射。 這是一個(gè)令人興奮的發(fā)現(xiàn)，可以讓我們思考用其他的方法來設(shè)計(jì)量子比特，以此來繞過這個(gè)問題。

墻也擋不住

除此之外，研究人員移除了放射源，并進(jìn)一步證明將量子比特屏蔽在環(huán)境輻射之外，可以提高相干時(shí)間。

為此，研究人員建立了一個(gè)2噸重、可升降的鉛磚墻。

在實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生們每隔10分鐘便按一次按鈕，讓這個(gè)墻上升或下降，這樣的操作持續(xù)了幾周之久。

這樣做的目的，就是在「有防護(hù)罩」和「無防護(hù)罩」兩種情況下，輻射對量子比特的影響。

而結(jié)果表明，屏蔽輻射能夠提高量子比特的特性。

但與此同時(shí)，研究人員也表示：

宇宙輻射的穿透力極強(qiáng)，是很難消除的。 像一股高速氣流一樣穿透一切。

怎么破？

不過，我們也不要對量子計(jì)算機(jī)太過悲觀，研究人員給出了解決方案：

沒必要把量子計(jì)算機(jī)建在像中微子實(shí)驗(yàn)室那么深的地方，大部分輻射粒子容易被阻擋。 地下深處的設(shè)施，可以讓量子比特在更高的水平上運(yùn)行。

但轉(zhuǎn)入地下并不是唯一選擇，研究人員對于如何設(shè)計(jì)在背景輻射下仍能工作的量子計(jì)算設(shè)備，提出了自己的看法：

如果我們想要建立一個(gè)產(chǎn)業(yè)，可能更傾向于減輕地面輻射的影響。 我們可以考慮設(shè)計(jì)量子比特，讓他們難以接觸輻射，或者對粒子不那么敏感。

作者介紹

△Antti Veps?l?inen

Antti 于2018年獲得阿爾托大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，當(dāng)時(shí)主要研究超導(dǎo)電路中量子態(tài)的絕熱控制，并研究了用于超靈敏測量磁場的簡單量子算法。

目前是 MIT 電子學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室博士后，繼續(xù)研究超導(dǎo)量子比特。

△Amir Karamlou

Amir Karamlou 于2018年畢業(yè)于 MIT，并獲得物理與電子工程及計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)士學(xué)位和電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)碩士學(xué)位。

參考鏈接：

https://news.mit.edu/2020/cosmic-rays-limit-quantum-computing-0826?https://www.nature.com/articles/s41586-020-2619-8