Исследование показывает необходимость защиты кубитов от естественного излучения, например космических лучей из космоса.
Многопрофильная исследовательская группа показала, что излучение от естественных источников в окружающей среде может ограничивать производительность сверхпроводящих квантовых битов, известных как кубиты. Открытие, о котором сегодня сообщается в журнале Nature, имеет значение для создания и работы квантовых компьютеров, передовой формы вычислений, которая привлекла миллиарды долларов государственных и частных инвестиций во всем мире.
Сотрудничество между командами Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США (PNNL) и Массачусетского технологического института (С УЧАСТИЕМ), помогает объяснить загадочный источник помех, ограничивающих производительность кубита.
«Наше исследование является первым, кто ясно показывает, что низкоуровневое ионизирующее излучение в окружающей среде ухудшает работу сверхпроводящих кубитов», – сказал Джон Оррелл, физик-исследователь PNNL, старший автор исследования и эксперт по низкоуровневому излучению. измерение. «Эти результаты показывают, что радиационная защита будет необходима для достижения долгожданных характеристик квантовых компьютеров этой конструкции».
Естественная радиация наносит ущерб компьютерам
Инженеры-компьютерщики уже не менее десяти лет знают, что естественное излучение, исходящее от таких материалов, как бетон, и пульсирующее через нашу атмосферу в форме космических лучей, может вызывать сбои в работе цифровых компьютеров. Но цифровые компьютеры не так чувствительны, как квантовые.
«Мы обнаружили, что практичный квантовые вычисления с этими устройствами будет невозможно, если мы не решим проблему радиации », – сказал физик PNNL Брент ВанДевендер, соавтор исследования.
Естественное излучение может мешать работе как сверхпроводящих детекторов темной материи (см. Здесь), так и сверхпроводящих кубитов. Предоставлено: Тимоти Холланд, PNNL.
Исследователи объединились, чтобы решить загадку, из-за которой сверхпроводящие квантовые компьютеры продолжали работать достаточно долго, чтобы сделать их надежными и практичными. Рабочий квантовый компьютер был бы в тысячи раз быстрее, чем даже самый быстрый суперкомпьютер, работающий сегодня. И он сможет решать вычислительные задачи, для решения которых современные цифровые компьютеры плохо приспособлены. Но непосредственная задача состоит в том, чтобы кубиты поддерживали свое состояние, и этот подвиг называется «согласованность», – сказал Оррелл. Это желаемое квантовое состояние – то, что дает квантовым компьютерам их мощность.
Физик Массачусетского технологического института Уилл Оливер работал со сверхпроводящими кубитами и был озадачен источником помех, которые помогли вытолкнуть кубиты из их подготовленного состояния, что привело к «декогеренции» и сделало их нефункциональными. Исключив ряд различных возможностей, он рассмотрел идею о том, что естественное излучение от таких источников, как металлы, обнаруженные в почве, и космическое излучение из космоса может подталкивать кубиты к декогеренции.
Случайный разговор между Оливером, ВанДевендером и его давним сотрудником, физиком из Массачусетского технологического института Джо Формаджо, привел к текущему проекту.
Это естественно
Чтобы проверить эту идею, группа исследователей измерила производительность прототипов сверхпроводящих кубитов в двух разных экспериментах:
- Они подвергли кубиты воздействию повышенного излучения металлической меди, активированной в реакторе.
- Они построили вокруг кубитов щит, который снизил количество естественной радиации в окружающей их среде.
Пара экспериментов ясно продемонстрировала обратную зависимость между уровнями излучения и продолжительностью времени, в течение которого кубиты остаются в когерентном состоянии.
Естественное излучение в виде рентгеновских лучей, бета-лучей, космических лучей и гамма-лучей может проникать через сверхпроводящий кубит и мешать квантовой когерентности. Предоставлено: Майкл Перкинс, PNNL.
«Излучение расщепляет согласованные пары электронов, которые обычно переносят электрический ток без сопротивления в сверхпроводнике», – сказал ВанДевендер. «Сопротивление этих неспаренных электронов разрушает тонко подготовленное состояние кубита».
Исследователи пришли к выводу, что результаты имеют непосредственное значение для проектирования и изготовления кубитов. Например, исследователи заявили, что материалы, используемые для создания квантовых компьютеров, должны исключать материал, излучающий радиацию. Кроме того, может оказаться необходимым защитить экспериментальные квантовые компьютеры от атмосферного излучения. В PNNL интерес обратился к тому, может ли Shallow Underground Laboratory, которая снижает воздействие поверхностного излучения на 99%, служить будущим разработкам квантовых компьютеров. Действительно, недавнее исследование европейской исследовательской группы подтверждает улучшение когерентности кубитов, когда эксперименты проводятся под землей.
Сотрудник лаборатории по обнаружению сверхнизкого излучения в Мелководной подземной лаборатории Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. Предоставлено: Андреа Старр, PNNL.
«Без смягчения последствий излучение ограничит время когерентности сверхпроводящих кубитов до нескольких миллисекунд, что недостаточно для практических квантовых вычислений», – сказал ВанДевендер.
Исследователи подчеркивают, что другие факторы, помимо радиационного воздействия, на данный момент являются более серьезными препятствиями для стабильности кубита. Считается, что такие вещи, как микроскопические дефекты или примеси в материалах, используемых для создания кубитов, в первую очередь ответственны за текущий предел производительности около одной десятой миллисекунды. Но как только эти ограничения будут преодолены, радиация начинает утверждать себя как предел и в конечном итоге станет проблемой без адекватных стратегий естественной защиты от излучения, говорят исследователи.
Результаты влияют на глобальный поиск темной материи
Помимо объяснения источника нестабильности кубита, результаты исследования могут иметь значение для глобального поиска темной материи, которая, как считается, составляет чуть менее 85% известной вселенной, но которая до сих пор ускользает от обнаружения человеком существующими инструменты. Один из подходов к сигналам предполагает использование исследований, которые зависят от сверхпроводящих детекторов, конструктивно похожих на кубиты. Детекторы темной материи также должны быть защищены от внешних источников излучения, потому что излучение может вызвать ложные записи, которые скрывают желательные сигналы темной материи.
«Улучшение нашего понимания этого процесса может привести к усовершенствованию конструкции этих сверхпроводящих датчиков и привести к более чувствительному поиску темной материи», – сказал Бен Лоер, физик-исследователь PNNL, который занимается как обнаружением темной материи, так и радиационными эффектами на сверхпроводящие кубиты. «Возможно, мы также сможем использовать наш опыт с этими датчиками физики элементарных частиц, чтобы улучшить будущие конструкции сверхпроводящих кубитов».
Подробнее об этом исследовании читайте в статье «Производительность квантовых вычислений скоро может упасть из-за помех от космических лучей».
Ссылка: «Влияние ионизирующего излучения на когерентность сверхпроводящего кубита» Антти П. Вепсяляйнен, Амир Х. Карамлоу, Джон Л. Оррелл, Акшунна С. Догра, Бен Лоер, Франциска Васконселос, Дэвид К. Ким, Александр Дж. Мелвилл, Бетани М. Недзельски, Джонилин Л. Йодер, Саймон Густавссон, Джозеф А. Формаджо, Брент А. ВанДевендер и Уильям Д. Оливер, 26 августа 2020 г., Природа.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2619-8
Исследование было поддержано Министерством энергетики США, Управлением науки, Исследовательским офисом армии США, Исследовательской инициативой нескольких университетов ARO, Национальным научным фондом и лабораторией Линкольна Массачусетского технологического института.
