211service.com
Kosmiska strålar kan utgöra ett problem för framtida kvantdatorer
Timothy Holland, PNNL
Kvantberäkning har potential att hantera komplexa problem i hypersnabba hastigheter. Det som gör detta möjligt är hur det utnyttjar qubits - typiskt subatomära partiklar som elektroner - som använder kvantegenskaper för att representera många kombinationer bortom 0 eller ett av konventionella bitar. När par av qubits är intrasslade kan de ändra varandras tillstånd på förutsägbara sätt, även på mycket långa avstånd, vilket ökar processorkraften ytterligare.
Allt detta kostar. Qubits är mycket känsliga för även de minsta störningar, ruttnar snabbt och försvinner i en process som kallas dekoherens. Och enligt nya rön publicerade i Nature på onsdag är kosmisk strålning en orsak till dekoherens som kan visa sig vara särskilt besvärlig.
Den nya studien är baserad på en typ av kvantberäkning som använder supraledande material för att producera qubits via laddade elektronpar. Fynden indikerar att naturligt förekommande strålning som produceras av normala material runt omkring oss, som betongkonstruktioner, är tillräckligt för att begränsa livslängden för denna typ av qubit-tillstånd till bara några millisekunder, vilket gör den praktiska tillämpningen av en kvantdator trubbig. Strålning som produceras av kosmiska strålar skulle ha en ännu större effekt.
Detta är ett problem eftersom det påverkar i princip alla sådana system som inte är omgivna av bly eller lagras långt under jorden. Varje plats som utsätts för kosmisk strålning kommer att vara en dålig plats att försöka köra den här typen av processer.
Varje kvantdator som är baserad på supraledande qubit-teknologi måste mycket explicit hantera effekterna av strålning, säger studiemedförfattare Brent VanDevender från Pacific Northwest National Laboratory i Richland, Washington.
Strålning skadar qubits genom att avsätta energi i dem. Det tar väldigt lite energi att bryta upp elektronpar i en supraledare, och dessa par bryts upp till fria elektroner, vilket potentiellt leder till energiutbyten som kan förstöra supraledarens känsliga tillstånd. Detta gör att qubits förlorar sitt kvanttillstånd och dekoherar, vilket avslutar all faktisk kvantberäkning.
Teamet – ledd av Antti Vepsäläinen, en kvantberäkningsforskare vid MIT – exponerade supraledande qubits för bestrålad koppar och fann att qubits exponerade för enbart naturliga nivåer av strålning var stabila i cirka fyra millisekunder. Detta är faktiskt längre än vad vi nu ser i genomsnitt i kvantberäkningsexperiment (cirka 0,1 millisekunders stabilitet), men även några få millisekunder är fortfarande för kort för praktiska kvantberäkningstillämpningar. Studien understryker att även om vi kan eliminera andra orsaker till dekoherens, som fysiska vibrationer eller temperaturförändringar, kommer strålning fortfarande att försvåra kvantberäkning.
Fynden är inte alltför överraskande, säger Shyam Shankar, en kvantberäkningsforskare vid University of Texas i Austin, som inte var involverad i denna studie. Jag skulle säga att många skulle förvänta sig att detta skulle hända. Men vi visste inte exakt på vilken nivå denna strålning skulle påverka qubits. Det beror delvis på hur svårt det är att faktiskt köra dessa experiment. Det är trevligt att se att andra faktiskt gör experimentet och får faktiska värden för detta fenomen, säger han.
Nu är det dags att börja förstå och hantera detta, säger VanDevender. Kvantberäkningsingenjörer kan använda felkorrigeringsmekanismer som kan hjälpa till att mildra dessa effekter, men för närvarande är de för långsamma för att komma ikapp med strålningsinducerad qubit-dekoherens.
Med låga nivåer av strålning från kosmisk strålning som genomsyrar de flesta platser på planetens yta, kan de bästa sätten att mildra strålningsstörningar vara det enklaste: skydda qubit-enheter från strålning (genom att använda material som bly) eller bygga dem under jord. VanDevender tror att det förmodligen finns en idealisk mellanväg som kräver blygsam avskärmning och grunda underjordiska platser. Med andra ord, om du bygger en kvantdator, placera den i en källare. Framtida ingenjörer kan också titta på att utveckla qubits som på något sätt är mindre känsliga för strålning.
Även om det inte är bra nyheter för kvantberäkning, kan det finnas en ljus sida av denna forskning. Det visar sig att qubits eller något liknande är fantastiska strålningsdetektorer, säger VanDevender. Förhoppningen finns om förbättrad känslighet vid sökningar efter mörk materia eller experiment som kan avslöja några länge eftersökta brister i vår standardmodell för partikelfysik.
Rättelse 8/23/20: Den här berättelsen gjorde initialt referenser till rymdbaserade kvantberäkningssystem som var felaktiga. Vi har tagit bort dessa referenser.