211service.com
Kosmiske stråler kan udgøre et problem for fremtidige kvantecomputere
Timothy Holland, PNNL
Kvanteberegning har potentialet til at håndtere komplekse problemer ved hyper-hurtige hastigheder. Det, der gør dette muligt, er den måde, den udnytter qubits - typisk subatomære partikler såsom elektroner - der bruger kvanteegenskaber til at repræsentere talrige kombinationer ud over 0 eller en af konventionelle bits. Når par af qubits er sammenfiltret, kan de ændre hinandens tilstand på forudsigelige måder, selv på meget lange afstande, hvilket øger processorkraften endnu mere.
Alt dette har en omkostning. Qubits er meget følsomme over for selv de mindste forstyrrelser, forfalder hurtigt og forsvinder i en proces kaldet dekohærens. Og iflg nye resultater offentliggjort i Nature onsdag er kosmisk stråling en årsag til dekohærens, der kan vise sig at være særligt besværlig.
Den nye undersøgelse er baseret på en type kvanteberegning, der bruger superledende materialer til at producere qubits via ladede elektronpar. Resultaterne indikerer, at naturligt forekommende stråling produceret af normale materialer omkring os, som betonkonstruktioner, er nok til at begrænse levetiden for denne type qubit-tilstand til blot et par millisekunder, hvilket gør den praktiske anvendelse af en kvantecomputer sløv. Stråling produceret af kosmiske stråler ville have en endnu større effekt.
Dette er et problem, fordi det stort set påvirker ethvert sådant system, der ikke er omgivet af bly eller opbevaret under jorden. Ethvert sted, der udsættes for kosmiske stråler, vil være et dårligt sted at forsøge at køre denne slags processer.
Enhver kvantecomputer baseret på superledende qubit-teknologi skal meget eksplicit forholde sig til virkningerne af stråling, siger studiemedforfatter Brent VanDevender fra Pacific Northwest National Laboratory i Richland, Washington.
Stråling beskadiger qubits ved at afsætte energi i dem. Det kræver meget lidt energi at bryde elektronpar i en superleder op, og disse par bryder op til frie elektroner, hvilket potentielt kan føre til energiudvekslinger, der kan ødelægge superlederens sarte tilstand. Dette får qubits til at miste deres kvantetilstand og dekohere, hvilket afslutter enhver faktisk kvanteberegning.
Holdet - ledet af Antti Vepsäläinen, en kvantecomputerforsker ved MIT - udsatte superledende qubits for bestrålet kobber og fandt ud af, at qubits, der kun var udsat for naturlige niveauer af stråling, var stabile i omkring fire millisekunder. Dette er faktisk længere end hvad vi nu ser i gennemsnit i kvanteberegningseksperimenter (ca. 0,1 millisekunders stabilitet), men selv et par millisekunder er stadig for kort til praktiske kvanteberegningsapplikationer. Undersøgelsen understreger, at selvom vi kan eliminere andre årsager til dekohærens, såsom fysiske vibrationer eller temperaturændringer, vil stråling stadig gøre kvanteberegning vanskelig.
Resultaterne er ikke så overraskende, siger Shyam Shankar, en kvantecomputerforsker ved University of Texas i Austin, som ikke var involveret i denne undersøgelse. Jeg vil sige, at mange mennesker ville forvente, at dette ville ske. Men vi vidste ikke præcist, på hvilket niveau denne stråling ville påvirke qubits. Det skyldes til dels, hvor svært det er faktisk at køre disse eksperimenter. Det er rart at se, at andre rent faktisk får lavet eksperimentet og får faktiske værdier for dette fænomen, siger han.
Nu er det tid til at begynde at forstå og håndtere dette, siger VanDevender. Kvantecomputeringeniører kan implementere fejlkorrektionsmekanismer, der kan hjælpe med at afbøde disse effekter, men i øjeblikket er de for langsomme til at indhente strålingsinduceret qubit-dekohærens.
Med lave niveauer af stråling fra kosmiske stråler, der gennemsyrer de fleste steder på planetens overflade, kan de bedste måder at afbøde strålingsinterferens være den nemmeste: skærm qubit-enheder mod stråling (ved at bruge materialer som bly) eller byg dem under jorden. VanDevender mener, at der sandsynligvis er en ideel mellemvej, der vil kræve beskeden afskærmning og lavvandede underjordiske placeringer. Med andre ord, hvis du bygger en kvantecomputer, skal du sætte den i en kælder. Fremtidige ingeniører kan også overveje at udvikle qubits, der på en eller anden måde er mindre følsomme over for stråling.
Selvom det ikke er gode nyheder for kvanteberegning, kan der være en lys side af denne forskning. Det viser sig, at qubits eller lignende er fantastiske strålingsdetektorer, siger VanDevender. Der er håb om forbedret følsomhed i søgninger efter mørkt stof eller eksperimenter, der kan afsløre nogle længe søgte fejl i vores standardmodel for partikelfysik.
Rettelse 8/23/20: Denne historie refererede oprindeligt til rumbaserede kvantecomputersystemer, der var unøjagtige. Vi har fjernet disse referencer.