金磊發(fā)自凹非寺

　　量子位報(bào)道公眾號(hào) QbitAI

　　谷歌去年提出的「量子優(yōu)越性」，在業(yè)界引起了不小的轟動(dòng)。

　　畢竟，量子運(yùn)算 200 秒，相當(dāng)于地球最強(qiáng)超算 100 年。

　　看似前景一片大好。

　　然而，MIT 最近的一項(xiàng)研究卻給量子計(jì)算的發(fā)展?jié)娏艘慌琛咐渌梗?/p>

宇宙射線發(fā)出的低強(qiáng)度無害背景輻射，足以導(dǎo)致量子比特退相干。

　　要知道，這種「背景輻射」，可以說是一種充滿整個(gè)宇宙的電磁輻射。

　　并且，研究還登上了近期的 Nature 雜志。

　　為什么量子計(jì)算如此「脆弱」？

　　量子比特（qubits）的完整性是一個(gè)關(guān)鍵問題。

　　量子比特，是量子計(jì)算中的邏輯元素，每個(gè)量子比特都有一個(gè)「神奇的能力」，就是可以處于「量子疊加態(tài)」。

　　這種能力讓量子比特可以同時(shí)存在 2 種狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了量子版的并行計(jì)算。

　　因此，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)若是能夠在一個(gè)處理器上，擴(kuò)展容納許多量子比特，那么就會(huì)比現(xiàn)在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)速度要快上很多，而且還能解決更為復(fù)雜的問題。

　　但這一切都取決于量子比特的完整性。換言之，就是取決于它能在疊加態(tài)和量子信息丟失之前，能夠工作多長(zhǎng)時(shí)間。

　　這個(gè)過程叫做退相干，最終限制了量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。

　　但最近，MIT和太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的研究人員卻發(fā)現(xiàn)，混凝土墻壁中的微量元素，以及宇宙射線發(fā)出的低水平、無害的輻射，卻會(huì)足以引起這種「退相干」現(xiàn)象的發(fā)生。

　　他們首先設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，要做的就是「校準(zhǔn)已知輻射水平對(duì)超導(dǎo)量子比特的影響」。

　　為此，他們需要一個(gè)已知的放射源，它的放射性既要「慢」，又要「快」。

　　慢，是指要慢到足以評(píng)估基本恒定輻射水平下的影響；快，是指要快得足以在幾周內(nèi)評(píng)估一系列輻射水平，直到背景輻射水平。

　　團(tuán)隊(duì)選擇了一種高純度的銅箔，當(dāng)暴露在高通量的中子下時(shí)，銅會(huì)產(chǎn)生大量的⁶⁴Cu（銅-64），這是一種不穩(wěn)定的同位素，性質(zhì)方面較為理想。

　　他們準(zhǔn)備了 2 盤這樣的銅片，先照射了它們幾分鐘，將其中 1 盤放在超導(dǎo)量子比特旁，再一起置于稀釋制冷機(jī)中。

　　制冷機(jī)的溫度大約在零下 200 度左右，而隨著⁶⁴Cu 放射性降至正常環(huán)境水平，研究人員測(cè)量出了輻射對(duì)量子比特退相干的影響。

　　作為對(duì)比，第 2 盤銅片的實(shí)驗(yàn)是在常溫下進(jìn)行，也測(cè)量了在這種情況下，輻射與量子比特退相干之間的影響。

　　他們發(fā)現(xiàn)，若是不加以緩和，會(huì)把量子比特的性能限制在幾毫秒之內(nèi)（目前性能較好的可達(dá)到 200 微秒）。

　　對(duì)此，MIT 電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授 William Oliver 表示：

這些退相干的機(jī)制就像一個(gè)洋蔥，過去 20 年，我們?cè)谝粚右粚觿冮_它。但現(xiàn)在還有一層，若是不加以限制，幾年內(nèi)就會(huì)限制我們的發(fā)展，這就是環(huán)境輻射。

這是一個(gè)令人興奮的發(fā)現(xiàn)，可以讓我們思考用其他的方法來設(shè)計(jì)量子比特，以此來繞過這個(gè)問題。

　　墻也擋不住

　　除此之外，研究人員移除了放射源，并進(jìn)一步證明將量子比特屏蔽在環(huán)境輻射之外，可以提高相干時(shí)間。

　　為此，研究人員建立了一個(gè) 2 噸重、可升降的鉛磚墻。

　　在實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生們每隔 10 分鐘便按一次按鈕，讓這個(gè)墻上升或下降，這樣的操作持續(xù)了幾周之久。

　　這樣做的目的，就是在「有防護(hù)罩」和「無防護(hù)罩」兩種情況下，輻射對(duì)量子比特的影響。

　　而結(jié)果表明，屏蔽輻射能夠提高量子比特的特性。

　　但與此同時(shí)，研究人員也表示：

宇宙輻射的穿透力極強(qiáng)，是很難消除的。

像一股高速氣流一樣穿透一切。

　　怎么破？

　　不過，我們也不要對(duì)量子計(jì)算機(jī)太過悲觀，研究人員給出了解決方案：

沒必要把量子計(jì)算機(jī)建在像中微子實(shí)驗(yàn)室那么深的地方，大部分輻射粒子容易被阻擋。

地下深處的設(shè)施，可以讓量子比特在更高的水平上運(yùn)行。

　　但轉(zhuǎn)入地下并不是唯一選擇，研究人員對(duì)于如何設(shè)計(jì)在背景輻射下仍能工作的量子計(jì)算設(shè)備，提出了自己的看法：

如果我們想要建立一個(gè)產(chǎn)業(yè)，可能更傾向于減輕地面輻射的影響。

我們可以考慮設(shè)計(jì)量子比特，讓他們難以接觸輻射，或者對(duì)粒子不那么敏感。

　　作者介紹

　　△Antti Vepsäläinen

　　Antti 于 2018 年獲得阿爾托大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，當(dāng)時(shí)主要研究超導(dǎo)電路中量子態(tài)的絕熱控制，并研究了用于超靈敏測(cè)量磁場(chǎng)的簡(jiǎn)單量子算法。

　　目前是 MIT 電子學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室博士后，繼續(xù)研究超導(dǎo)量子比特。

　　△Amir Karamlou

　　Amir Karamlou 于 2018 年畢業(yè)于 MIT，并獲得物理與電子工程及計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)士學(xué)位和電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)碩士學(xué)位。

　　參考鏈接：

　　https://news.mit.edu/2020/cosmic-rays-limit-quantum-computing-0826

　　https://www.nature.com/articles/s41586-020-2619-8

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的MIT新研究给量子计算机「泼冷水」：自然界辐射会干扰它，需要研究新对策的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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