Kosmiske stråler kan snart stoppe kvantecomputing

Praktikken ved kvanteberegning hænger på integriteten af ​​kvantebitten, eller qubit.

Qubits, kvantecomputers logiske elementer, er sammenhængende to-niveau systemer, der repræsenterer kvanteinformation. Hver qubit har den mærkelige evne til at være i en kvantesuperposition, bærer aspekter af begge stater samtidigt, muliggør en kvanteversion af parallelberegning. Kvantecomputere, hvis de kan skaleres til at rumme mange qubits på en processor, kunne være svimlende hurtigere, og i stand til at håndtere langt mere komplekse problemer, end nutidens konventionelle computere.

Men alt afhænger af en qubits integritet, eller hvor lang tid den kan fungere, før dens superposition og kvanteoplysningerne går tabt - en proces kaldet decoherence, hvilket i sidste ende begrænser computerens driftstid. Superledende qubits - en førende qubit -modalitet i dag - har opnået eksponentiel forbedring af denne nøgletal, fra mindre end et nanosekund i 1999 til omkring 200 mikrosekunder i dag for de bedst effektive enheder.

Men forskere ved MIT, MIT Lincoln Laboratory, og Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har fundet ud af, at en qubits ydeevne snart vil ramme en væg. I et papir udgivet i Natur , teamet rapporterer, at det lave niveau, ellers harmløs baggrundsstråling, der udsendes af sporstoffer i betonvægge og indkommende kosmiske stråler, er nok til at forårsage dekoherens i qubits. De fandt ud af, at denne effekt, hvis den ikke lades tilbage vil begrænse ydelsen af ​​qubits til kun et par millisekunder.

I betragtning af den hastighed, hvormed forskere har forbedret qubits, de kan ramme denne strålingsinducerede væg på bare et par år. For at overvinde denne barriere, forskere bliver nødt til at finde måder at afskærme qubits-og eventuelle praktiske kvantecomputere-mod lavstråling, måske ved at bygge computerne under jorden eller designe qubits, der er tolerante over for strålingens effekter.

"Disse dekoherensmekanismer er som et løg, og vi har skrællet lagene tilbage i de sidste 20 år, men der er et andet lag, der forlod uformindsket, vil begrænse os om et par år, som er miljøstråling, "siger William Oliver, lektor i elektroteknik og datalogi og Lincoln Laboratory Fellow ved MIT. "Dette er et spændende resultat, fordi det motiverer os til at tænke på andre måder at designe qubits til at komme uden om dette problem. "

Papirets hovedforfatter er Antti Vepsäläinen, en postdoc i MIT's Research Laboratory of Electronics.

"Det er fascinerende, hvor følsomme superledende qubits er for den svage stråling. At forstå disse effekter i vores enheder kan også være nyttigt i andre applikationer, f.eks. Superledende sensorer, der bruges i astronomi, "Siger Vepsäläinen.

Medforfattere på MIT omfatter Amir Karamlou, Akshunna Dogra, Francisca Vasconcelos, Simon Gustavsson, og fysikprofessor Joseph Formaggio, sammen med David Kim, Alexander Melville, Bethany Niedzielski, og Jonilyn Yoder ved Lincoln Laboratory, og John Orrell, Ben Loer, og Brent VanDevender fra PNNL.

En kosmisk effekt

Superledende qubits er elektriske kredsløb fremstillet af superledende materialer. De omfatter en mængde parrede elektroner, kendt som Cooper -par, der flyder gennem kredsløbet uden modstand og arbejder sammen for at opretholde qubitens spinkle superpositionstilstand. Hvis kredsløbet opvarmes eller på anden måde afbrydes, elektronpar kan opdeles i "kvasipartikler, "forårsager dekoherens i qubit, der begrænser dens drift.

Der er mange kilder til dekoherens, der kan destabilisere en qubit, såsom svingende magnetiske og elektriske felter, termisk energi, og endda interferens mellem qubits.

Forskere har længe mistanke om, at meget lave strålingsniveauer kan have en lignende destabiliserende virkning hos qubits.

"Jeg har de sidste fem år kvaliteten af ​​superledende qubits er blevet meget bedre, og nu er vi inden for en faktor 10, hvor virkningerne af stråling kommer til at have betydning, "tilføjer Kim, en teknisk medarbejder ved MIT Lincoln Laboratotry.

Så Oliver og Formaggio gik sammen for at se, hvordan de kunne sømme effekten af ​​lavt miljøstråling på qubits. Som neutrinofysiker, Formaggio har ekspertise i at designe eksperimenter, der beskytter mod de mindste strålekilder, at kunne se neutrinoer og andre svært opdagelige partikler.

"Kalibrering er nøglen"

Holdet, arbejder med samarbejdspartnere på Lincoln Laboratory og PNNL, først skulle designe et eksperiment for at kalibrere virkningen af ​​kendte strålingsniveauer på superledende qubit -ydeevne. At gøre dette, de havde brug for en kendt radioaktiv kilde - en som blev mindre radioaktiv langsomt nok til at vurdere virkningen ved stort set konstante strålingsniveauer, alligevel hurtigt nok til at vurdere en række strålingsniveauer inden for få uger, ned til niveauet for baggrundsstråling.

Gruppen valgte at bestråle en folie af kobber af høj renhed. Når de udsættes for en høj strøm af neutroner, kobber producerer store mængder kobber-64, en ustabil isotop med præcis de ønskede egenskaber.

"Kobber absorberer bare neutroner som en svamp, "siger Formaggio, der arbejdede med operatører på MIT's Nuclear Reactor Laboratory for at bestråle to små diske kobber i flere minutter. De anbragte derefter en af ​​diskene ved siden af ​​de superledende qubits i et fortyndingskøleskab i Olivers laboratorium på campus. Ved temperaturer omkring 200 gange koldere end det ydre rum, de målte virkningen af ​​kobberets radioaktivitet på qubits sammenhæng, mens radioaktiviteten faldt - ned mod miljømæssige baggrundsniveauer.

Radioaktiviteten af ​​den anden disk blev målt ved stuetemperatur som en måler for de niveauer, der rammer qubit. Gennem disse målinger og relaterede simuleringer, teamet forstod forholdet mellem strålingsniveauer og qubit -ydeevne, en, der kunne bruges til at udlede effekten af ​​naturligt forekommende miljøstråling. Baseret på disse målinger, qubit -kohærens -tiden ville være begrænset til ca. 4 millisekunder.

"Ikke spillet slut"

Holdet fjernede derefter den radioaktive kilde og demonstrerede, at afskærmning af qubits mod miljøstråling forbedrer sammenhængstiden. At gøre dette, forskerne byggede en 2-ton væg af blysten, der kunne hæves og sænkes på en sakselift, enten at afskærme eller udsætte køleskabet for omgivende stråling.

"Vi byggede et lille slot omkring dette køleskab, "Siger Oliver.

Hvert 10. minut, og over flere uger, studerende i Olivers laboratorium skiftede med at trykke på en knap for enten at løfte eller sænke væggen, som en detektor målte qubits integritet, eller "afslapningshastighed, "et mål for, hvordan miljøstrålingen påvirker qubit, med og uden skjold. Ved at sammenligne de to resultater, de udtrak effektivt effekten af ​​miljøstråling, bekræfter forudsigelsen på 4 millisekunder og demonstrerer, at afskærmning forbedrede qubit -ydeevnen.

"Kosmisk stråling er svær at slippe af med, "Formaggio siger." Det er meget gennemtrængende, og går lige igennem alt som en jetstrøm. Hvis du går under jorden, der bliver mindre og mindre. Det er sandsynligvis ikke nødvendigt at bygge kvantecomputere dybt under jorden, ligesom neutrino -eksperimenter, men måske kunne dybe kælderfaciliteter sandsynligvis få qubits til at fungere på forbedrede niveauer. "

At gå under jorden er ikke den eneste mulighed, og Oliver har ideer til, hvordan man designer kvantecomputerenheder, der stadig fungerer i lyset af baggrundsstråling.

"Hvis vi vil bygge en industri, vi foretrækker sandsynligvis at afbøde virkningerne af stråling over jorden, "Siger Oliver." Vi kan tænke på at designe qubits på en måde, der gør dem hårde, 'og mindre følsom over for kvasipartikler, eller designe fælder til kvasipartikler, så selvom de konstant genereres af stråling, de kan flyde væk fra qubit. Så det er bestemt ikke game-over, det er bare det næste lag af løget, vi skal tage fat på. "