近日 MIT 團隊在 Nature 發表的研究指出，量子計算機很快會遇到一座壁壘：隨著量子比特越來越穩定，它將更容易受到低強度環境輻射的影響，這種影響將把量子比特退相干時間限制在 4 毫秒。為突破這一瓶頸，研究團隊建議將量子計算機建在地下，或者研發對輻射有更強「抵抗力」的量子比特。
圖片來源：Christine Daniloff, MIT
來源 MIT News Office
撰文 Jennifer Chu
翻譯 阿金
審校 戚譯引
量子計算的實用價值取決於量子比特（qubit）的完整性。量子比特是量子計算機的邏輯元素，代表著量子資訊的兩能級相干系統。處在量子疊加態的每一個量子比特擁有奇異的能力，可同時攜帶兩種狀態，實現量子版本的平行計算。如果可以擴展量子計算機，在一個處理器上容納大量量子比特，那麼與當今的常規計算機相比，它們的速度會快許多，也能處理更加複雜的問題。
但以上這一切都取決於量子比特的完整性，也就是說在量子比特的疊加態和量子資訊丟失之前，它能夠運行多久。這種過程稱為退相干，最終會限制計算機的運行時間。超導量子比特是當今主要的量子比特模態，已經在完整性這一關鍵指標上取得了指數級的提升，1999 年時它的持續運行時間還不到一納秒，如今性能最好的設備已經達到了約 200 微秒。
然而，麻省理工學院林肯實驗室（MIT Lincoln Laboratory）和太平洋西北國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory，簡稱 PNNL）的研究人員卻發現，量子比特性能很快就會遇到一個壁壘。在一篇發表在《自然》（Nature）的論文中，研究團隊報告說，混凝土牆體中微量元素釋放的低水平但無害的背景輻射，以及進入地球的宇宙射線，兩者足以引發量子比特的退相干。他們還發現，如果置之不理，這一現象將會將量子比特的性能限制在僅僅數毫秒。
鑑於科學家們改進量子比特的速度，幾年之後他們可能就會遇到輻射造成的瓶頸。為了攻克這一障礙，科學家未來必須找出保護量子比特以及任何實用的量子計算機的方法，使其免於低水平輻射的干擾，比如他們或許可以在地下建造計算機，或者設計出能夠抵擋輻射影響的量子比特。
「這些退相干機制就像一隻洋蔥，在過去的 20 年內，我們將它層層剝開，但幾年之後我們就會遇到一層限制，那就是環境輻射。」MIT 的電子工程和電腦科學教授、林肯實驗室成員 William Oliver 說，「這結果令人興奮，因為會激勵我們想出其他方式來設計量子比特，繞過這個問題。」
該論文的主要作者、MIT 電子研究實驗室的博士後 Antti Vepsäläinen 說：「超導量子比特對於弱輻射有多敏感，這個問題令人著迷。理解設備中的這些影響，也會有助於理解其他方面的應用，比如天文學用到的超導傳感器。」
同樣來自 MIT 的共同作者包括 Amir Karamlou，Akshunna Dogra，Francisca Vasconcelos，Simon Gustavsson 和物理學教授 Joseph Formaggio，還有 David Kim, Alexander Melville，Bethany Niedzielski，和林肯實驗室的 Jonilyn Yoder，來自 PNNL 的 John Orrell，Ben Loer 和 Brent VanDevender。
宇宙效應
超導量子比特是由超導材料製成的電路，它們包含許多成對電子，也就是庫珀對（Cooper pairs）。這些電子對在電路中流動，沒有電阻，共同維持量子比特脆弱的疊加態。如果電路受熱或者遭到干擾，電子對會分裂成「準粒子」，引發量子比特的退相干，限制其運行。
讓量子比特不穩定的退相干源有許多，例如波動的磁場和電場、熱能，甚至是量子比特之間的干擾。長久以來，科學家一直懷疑極低水平的輻射可能也會對量子比特產生類似的影響，破壞其穩定性。
「在過去的五年內，超導量子比特的質量已經大幅提升，現在，我們有不到十分之一的概率碰上輻射影響。」Kim 補充說。他是林肯實驗室的技術人員。
所以，Oliver 和 Formagio 聯手調查如何確定低水平環境輻射對量子比特的影響。作為一名中微子物理學家，Formaggio 掌握著設計實驗的專業知識，可遮蔽最小的輻射源，從而能夠看清中微子和其他難以探測的粒子。
「校準是關鍵」
兩人和林肯實驗室以及 PNNL 的研究人員合作，首先他們要設計實驗，以校準已知輻射水平對超導量子比特性能的影響。為此，他們需要一個已知的輻射源，其輻射水平降低的速度要足夠慢，以便讓研究人員在基本恆定的輻射水平處評估影響；同時這個速度又要足夠快，才能讓他們在幾周內評估從初始強度到背景輻射的一系列輻射水平。
團隊選擇對高純度銅箔片進行輻照。當暴露在高通量中微子流中時，銅會產生大量的同位素銅-64，這是一種不穩定同位素，其特性完全符合他們的需求。
Formaggio 說：「銅就像海綿一樣，不停吸收中微子。」他與 MIT 核反應實驗室的操作員一起，花幾分鐘的時間輻射兩小盤圓形銅片。接下來，他們將一個銅片放在超導量子比特旁邊，這兩樣東西都放置於 Oliver 學校實驗室的稀釋製冷機中。製冷機裡面的溫度只有外太空溫度的二百分之一，隨著銅的放射性逐漸降低至環境背景水平，他們在不同的放射性下測量其對量子比特相干性的影響。
而第二張銅片則在室溫下測量，作為自然環境下輻射水平影響量子比特的標準參照。透過這些測量和相關模擬，團隊明白了輻射水平和量子比特性能之間的關係，由此可推匯出自然環境中輻射的影響。基於以上測量，量子比特相干時間將會被限制到約 4 毫秒。
「遊戲還沒結束」
接下來，團隊移除了輻射源，著手證明遮蔽掉環境輻射的影響能夠提高量子比特的相干時間。為此，研究人員用鉛塊建造一堵兩噸重的牆，放在剪叉式升降機上，透過升降控制製冷機是否受到環境輻射的影響。
「我們給這臺製冷機四周砌了一座小型堡壘。」Oliver 說道。
在接下來的幾周內，每隔 10 分鐘，Oliver 實驗室的學生們輪流按下按鈕，讓鉛牆升起或落下，同時有一臺檢測器會測量量子比特的完整性，或者說弛豫速率，他們以這種方式評估測量在有或無屏障的情況下，環境輻射是否影響量子比特。透過比較兩組結果，他們有效地總結出環境輻射產生的影響，確認了 4 毫秒的預測，證明了遮蔽可改善量子比特性能。
「宇宙射線很難擺脫。」Formaggio 說，「它具有非常強大的穿透力，可以像噴流一樣穿過任何事物。如果你往地下走，那麼受到的射線會越來越少。可能不一定非要在地底深處建造量子計算機，就像中微子實驗那樣，但深層地下設施可提高量子比特的運行水平。」
進入地下不是唯一選項，Oliver 已經有思路，想要設計出面對背景輻射也能正常運行的量子計算設備。
「如果我們想要建立一套產業，我們更傾向於在地面上減少輻射的影響。」Oliver 說，「我們可以考慮設計出能夠‘抗輻射’的量子比特，並且對準粒子不那麼敏感，也可以設計準粒子捕獲阱，這樣即便輻射不斷產生準粒子，它們會立刻從量子比特中流出去。所以，這絕對不是結局，我們需要做的就是揭開洋蔥的下一層。」
Vepsäläinen, A.P., Karamlou, A.H., Orrell, J.L. et al. Impact of ionizing radiation on superconducting qubit coherence. Nature584, 551–556 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2619-8
來源連結：
https://eurekalert.org/emb_releases/2020-08/miot-crm082420.php
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