量子計算很快遭遇天花板？低強度環(huán)境輻射足以導(dǎo)致量子比特退相干

李亞山

宇宙射線可能會限制量子比特的性能，阻礙量子計算的發(fā)展

美國麻省理工學(xué)院和西北太平洋國家實驗室（PNNL）的研究人員最近發(fā)現(xiàn)，隨著量子計算領(lǐng)域的快速發(fā)展，量子比特的性能很快就會遇到阻礙。這項研究發(fā)表在 8 月 26 日的《自然》雜志上。

研究表明，混凝土墻壁中微量元素和宇宙射線發(fā)出的低強度、無害的環(huán)境輻射足以導(dǎo)致量子比特的退相干?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，如果不加以控制，這種輻射會將量子比特的性能限制在幾毫秒之內(nèi)。要知道，近年來的量子比特的相干時間一直以指數(shù)級增長，性能最好的超導(dǎo)量子比特的相干時間從 1999 年的不到 1 納秒，提高到了今天的約 200 微秒。這也意味著，在未來幾年里，環(huán)境輻射將是量子計算領(lǐng)域不得不面對的問題。

量子計算機的阻礙

量子比特是量子計算機的邏輯元件，在量子信息學(xué)中是量子信息的計量單位。每個量子比特都有一種奇怪的能力，可以處于量子疊加態(tài)，同時存在兩種狀態(tài)，從而實現(xiàn)量子版本的并行計算。如果量子計算機能夠在一個處理器上容納許多量子比特，那么它的速度將會呈指數(shù)級增長，并且能夠處理比現(xiàn)在的傳統(tǒng)計算機復(fù)雜得多的問題。

但這一切都取決于一個量子比特的完整性，或者在疊加態(tài)和量子信息丟失之前，一個量子比特能運行多長時間，這個過程被稱為 “退相干”，它最終會限制計算機的運行時間。超導(dǎo)量子比特是當(dāng)今最主要的量子比特模態(tài)，它已經(jīng)在這一關(guān)鍵指標(biāo)上取得了指數(shù)級的進步。

如此一來，可能在短短幾年內(nèi)，量子計算機就會碰到由輻射誘發(fā)的障礙。為了克服這一障礙，科學(xué)家們必須找到保護量子比特和量子計算機不受低強度輻射影響的方法?？茖W(xué)家們表示，或許可以在地下建造量子計算機，或者設(shè)計出能夠耐受輻射影響的量子比特才能解決這一問題。

麻省理工學(xué)院林肯實驗室研究員、電氣工程和計算機科學(xué)副教授 William Oliver 表示：“研究這些退相干機制就像剝洋蔥， 過去 20 年我們已經(jīng)剝了很多層， 但是還有另外一層（即環(huán)境輻射）一直存在，這將限制我們在未來幾年內(nèi)的發(fā)展。不過這也是一個令人興奮的結(jié)果，因為它將激勵我們?nèi)ニ伎加闷渌椒▉碓O(shè)計量子比特，并最終解決這個問題。”這篇論文的第一作者是 Antti Vepsalainen，他是麻省理工學(xué)院電子研究實驗室的博士后。他說：“超導(dǎo)量子比特對微弱的輻射的敏感性令人著迷。了解量子計算設(shè)備中的這些影響也可以在其他應(yīng)用中有所幫助，例如天文學(xué)中使用的超導(dǎo)傳感器等?！?h3>校準(zhǔn)是關(guān)鍵

超導(dǎo)量子比特是由超導(dǎo)材料制成的電路。它們由成對的電子（即庫珀對）組成，它們在沒有電阻的情況下流經(jīng)電路，并共同作用以維持量子比特的微弱疊加狀態(tài)。如果電路被加熱或以其他方式破壞，電子對可能分裂成 “準(zhǔn)粒子”，從而導(dǎo)致量子比特的退相干，進而限制了電路的工作。有許多退相干源可能會使量子比特不穩(wěn)定，例如波動的磁場和電場，熱能，甚至量子比特之間的干擾。

長期以來，科學(xué)家一直懷疑很低的輻射也會對量子比特產(chǎn)生類似的破壞作用。因此，Oliver 和 Formaggio 聯(lián)手研究了低水平環(huán)境輻射是如何對量子比特產(chǎn)生影響的。作為中微子物理學(xué)家，F(xiàn)ormaggio 在設(shè)計實驗方面造詣頗深，這些實驗可以屏蔽最小的輻射源，從而能夠看到中微子和其他難以探測的粒子。

該團隊與林肯實驗室和 PNNL 的合作者們一起，設(shè)計了一個實驗。首先他們必須校準(zhǔn)已知輻射水平對超導(dǎo)量子比特性能的影響。為此，他們需要一個已知的放射源，而且該放射源的放射性要衰減得足夠慢，這樣才能在基本恒定的輻射水平下評估其影響，還要能很快地在幾周內(nèi)評估出一定范圍的輻射水平，直至達(dá)到環(huán)境輻射的水平。研究人員最終選擇照射一層高純度銅箔作為輻射源。當(dāng)暴露于高通量的中子中時，銅會產(chǎn)生大量的銅-64，這是一種理想的不穩(wěn)定同位素。“銅就像海綿一樣吸收中子。”Formaggio 與麻省理工學(xué)院核反應(yīng)堆實驗室的操作員合作，照射了兩小盤銅片，并持續(xù)了幾分鐘。然后，他們將小盤放在超導(dǎo)量子比特旁邊，一起置于實驗室中的稀釋制冷機中。在比外部空間冷 200 倍的溫度下，隨著銅 64 放射性降至環(huán)境正常水平，他們測量了銅的放射性對量子比特相干性的影響。第二個小盤的放射性影響是放在室溫下測量的，以此作為對比。通過這些測量和相關(guān)的模擬，該團隊了解了輻射水平和量子比特性能之間的關(guān)系，而且可以用來推斷自然發(fā)生的環(huán)境輻射的影響?；谶@些測量，量子比特的相干時間被限制為大約 4 毫秒。

游戲還未結(jié)束

在接下來的實驗中，研究小組移除了輻射源，并繼續(xù)證明量子比特在屏蔽環(huán)境輻射影響時，可以提高相干時間。

為了做到這一點，研究人員建造了一個 2 噸重的升降鉛磚墻，它可以保護制冷機遠(yuǎn)離輻射環(huán)境?！拔覀儑@著這臺制冷機建了一個小城堡，” Oliver 說。隨后的幾個星期里，Oliver 實驗室的學(xué)生們每隔 10 分鐘就輪流按下一個按鈕，讓保護墻升高或降低，同時，探測器會測量量子比特的完整性，這是一種測量環(huán)境輻射在有防護罩和沒有防護罩的情況下，如何影響量子比特的方法。通過比較兩個結(jié)果，他們有效地提取了環(huán)境輻射的影響，證實了 4 毫秒的預(yù)測，同時證明屏蔽輻射能提高量子比特的性能。Formaggio 說：“宇宙射線輻射很難消除，它非常具有穿透力。在地下，這些輻射會越來越少。也許沒有必要像建造中微子實驗一樣在地下深處建造量子計算機，但在地下深處，確實可以讓量子比特在更高的水平上運行?！?p>

量子計算機內(nèi)部

地下建造量子計算機并不是唯一的選擇，Oliver 表示還有一個辦法，就是設(shè)計出在正常輻射下仍能工作的量子計算設(shè)備。Oliver 說：“如果我們想建立一個產(chǎn)業(yè)，我們就不得不考慮減輕輻射的影響。我們還可以考慮設(shè)計量子比特，使它們難以接觸輻射，使它們對準(zhǔn)粒子不那么敏感，或者為準(zhǔn)粒子設(shè)計陷阱，讓準(zhǔn)粒子從量子比特中流失。所以這絕對不是游戲結(jié)束，這只是我們需要解決的下一層問題?！保ㄕ悦馈渡羁萍肌罚ň庉?費勒萌）