由于来自宇宙射线的干扰，量子计算性能很快就会击中墙壁

麻省理工学院研究报告称，传入的宇宙射线可能会限制量子位性能，阻碍量子计算中的进展。

研究人员发现，建立地下或设计地下或设计防辐射Qubits。

量子计算的实用性悬挂在量子位或QUBT的完整性上。

Qubits，量子计算机的逻辑元素是表示量子信息的相干的两级系统。每个Qubit具有奇怪的能力，可以在量子叠加中，同时携带两个状态的各个方面，从而实现量子版本的并行计算。Quantum计算机，如果可以缩放以适应一个处理器上的许多Qubits，可能会更快地眩晕，并且能够比今天的传统计算机更复杂的问题。

但是，这一切都取决于Qubit的完整性，或者在叠加之前可以运行多长时间，并且量子信息丢失 - 一个被称为变形的过程，这最终限制了计算机运行时间。超导Qubits - 今天的主要Qubit模态 - 在此密钥指标中取得了指数改进，从1999年的少于一个纳秒到今天约200微秒，以获得最佳的设备。

但是，MIT，MIT林肯实验室和太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究人员发现，Qubit的表现很快就会击中墙壁。在今天本质上发表的论文中，团队报告说，在混凝土墙壁和传入的宇宙射线中的微量元素发出的低级，否则无害的背景辐射足以导致Qubits中的混乱。他们发现这种效果如果左侧触发，会将Qubits的性能限制为几毫秒。

鉴于科学家一直在改善Qubits的速度，他们可能在几年内击中了这种辐射诱导的墙壁。为了克服这一障碍，科学家必须找到屏蔽QUBITS的方法 - 以及任何实际量子计算机 - 从低级辐射，也许通过建立地下的计算机或设计容忍辐射效果的Qubits。

“这些破坏机制就像洋葱，我们已经剥了20年的层，但是还有另一层留下的层将在几年内限制我们，这是环境辐射，”威廉奥利弗说：麻省理工学院电气工程与计算机科学与林肯实验室研究员副教授。“这是一个令人兴奋的结果，因为它激励我们想到其他方法来设计Qubits来解决这个问题。”

本文的铅作者是AnttiVepsäläinen，这是一个MIT研究实验室的电子产品的博士。

“它令人迷人的超导Qubits对弱辐射的敏感性。理解我们在我们的设备中的这些效果也有助于其他应用，例如天文学中使用的超导传感器，“Vepsäläinen说。

MIT的共同作者包括Amir Karamlou，Akshunna Dogra，Francisca Vascomcelos，Simon Gustavsson，以及Joseph Formaggio的物理教授，以及David Kim，Alexander Melville，Bethany Niedzielski，林肯实验室和Jonilyn Yoder，Ben Loer John Orrell PNNL的Brent Vandevender。

宇宙效果

超导Qubits是由超导材料制成的电路。它们包括多型成对电子，称为Cooper对，其流过电路而不具有阻力并一起工作以维持Qubit的脆弱叠加状态。如果电路被加热或以其他方式中断，则电子对可以分成“QuasiParticles”，导致限制其操作的Qubit中的变色。

有许多变色源可以使Qubit（例如波动）波动，磁场，热能甚至干扰之间的QUBit稳定。

科学家长期以来涉嫌辐射水平非常低，可能在Qubits中具有类似的稳定性效果。

“我过去五年来，超导额度的质量变得更好，现在我们在辐射影响的10倍之内，”林肯实验室的技术人员为“增加了Kim” 。

因此，奥利弗和果实组织努力了解他们如何缩小低水平环境辐射对Qubits的影响。作为中微子物理学家，Formaggio在设计实验中具有专业知识，该实验屏蔽抗辐射的最小源，能够看到中微子和其他硬毒性颗粒。

“校准是关键”

该团队，在林肯实验室和PNNL的合作者工作，首先必须设计一个实验，以校准已知水平辐射对超导量子位性能的影响。为此，他们需要一个已知的放射源 - 一个变得较小的放射性，足以评估基本恒定的辐射水平的影响，但很快就足以评估了几周内的一系列辐射水平，降至背景辐射水平。 。

该组选择照射高纯度铜的箔。当暴露于高中的中子通量时，铜产生大量的铜-64，一种不稳定的同位素，其具有完全是所需的性质。

“铜只是像海绵一样吸收中子，”杰出戈尼奥说，在麻省理工学院的核反应堆实验室工作，在麻省理工学院的核反应堆实验室工作，以照射两块铜盘几分钟。然后，它们将超导额距旁边的磁盘放置在Oliver在校园的奥利弗实验室中的稀释冰箱中。在比外部空间较冷的温度约为200倍，它们测量了铜的放射性对Qubits相干性的影响，而放射性降低朝向环境背景水平。

在室温下测量第二盘的放射性，作为击中Qubit的水平的仪表。通过这些测量和相关模拟，团队理解辐射水平和QUBit性能之间的关系，可以用于推断天然存在的环境辐射的效果。基于这些测量，Qubit相干时间将限制为约4毫秒。

“不是比赛”

然后，该团队删除了放射源，并继续证明屏蔽环境辐射的Qubits改善了相干时间。为此，研究人员建立了一个2吨的铅砖墙，可以在剪刀上升高和降低，以防护或将冰箱暴露于周围的辐射。

“我们在这个冰箱里建造了一座小城堡，”奥利弗说。

每10分钟，超过几周，奥利弗的实验室的学生交替推动按钮要么抬起或降低墙壁，因为探测器测量了Qubits的完整性，或“放松率”，衡量环境辐射如何影响Qubit ，有和没有盾牌。通过比较这两个结果，它们有效地提取了环境辐射的影响，确认了4毫秒的预测，并证明屏蔽改善的Qubit性能。

“宇宙射线辐射很难摆脱，”Formaggio说。“这非常渗透，并且像喷射流一样通过一切顺利。如果你走了地下，那就越来越少了。它可能没有必要建立云台地下的量子电脑，如中性学实验，但也许深层地下室设施可能会在改进水平上运行Qubits。“

走下地下不是唯一的选择，奥利弗有如何设计在背景辐射面前仍然工作的量子计算设备。

奥利弗说：“如果我们想建造一个行业，我们可能更愿意减轻辐射的影响，”奥利弗说。“我们可以考虑以使它们”rad-hard，“和Quasiply敏感的方式设计Qubits，或者为Quasiply设计陷阱，因此即使它们不断地由辐射产生，它们也可以从Qubit流出。所以它绝对不是游戏，它只是我们需要解决的下一层。“

参考：“电离辐射对超导Qubbit Cherence的影响”，AnttiP.Vepsäläinen，Amir H.Karamlou，John L. Orrell，Akshunna S. Dogra，Ben Loer，Francisca Vascomcelos，David K.Kim，亚历山大J.Melville，Bethany M. Niedzielski，Jonilyn L. Yoder，Simon Gustavsson，Joseph A. Formaggio，布伦特A. Vandevender和William D. Oliver，2020年8月26日，Nature.Doi：
10.1038 / s41586-020-2619-8

本研究部分由美国陆军研究办公室，美国国防部和美国国家科学基金会提供资金。