最近，麻省理工学院团队在《自然》杂志上发表的研究指出，量子计算机将很快遇到一个障碍：随着量子位变得越来越稳定，它将更容易受到低强度环境辐射的影响，这将把量子位的退相干时间限制在4毫秒以内。为了突破这个瓶颈，研究小组建议量子计算机应该建在地下，或者应该开发对辐射有更强“抵抗力”的量子比特。
图片来源：克里斯汀丹尼洛夫，麻省理工学院新闻办公室
量子计算的实用价值取决于量子位的完整性。量子比特是量子计算机的逻辑元件，代表量子信息的二能级相干系统。量子叠加态中的每个量子比特都具有奇异能力，可以同时携带两个态，从而实现量子版本的并行计算。如果量子计算机可以扩展到在一个处理器上容纳大量的量子位，与今天的传统计算机相比，它们将会快得多，并且可以处理更复杂的问题。
但所有这些都取决于量子位的完整性，也就是说，在量子位和量子信息的叠加态丢失之前，它能运行多长时间。这个过程被称为去相干，最终会限制计算机的运行时间。超导量子比特是目前主要的量子比特模式，它在完整性的关键指标上取得了指数级的提高。1999年，它的连续运行时间还不到一纳秒，而现在性能最好的设备已经达到200微秒左右。
然而，麻省理工学院林肯实验室和太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员发现，量子比特的性能将很快遇到障碍。在《自然》(自然)发表的一篇论文中，研究小组报告说，混凝土墙中的微量元素释放的低水平但无害的背景辐射和进入地球的宇宙射线足以引发量子位的退相干。他们还发现，如果忽略这个现象，量子位的性能将被限制在几毫秒之内。
随着科学家提高量子位的速度，他们可能会在几年后遇到辐射造成的瓶颈。为了克服这个障碍，科学家们必须找到方法来保护量子位和任何实用的量子计算机在未来免受低水平辐射。例如，他们可能能够在地下建造计算机或设计能够抵抗辐射影响的量子位。
“这些退相干机制就像洋葱。在过去的20年里，我们一层一层地剥离它，但几年后，我们将遇到一层限制，那就是环境辐射。”麻省理工学院电子工程和计算机科学教授、林肯实验室成员威廉奥利弗(William Oliver)说：“这个结果令人兴奋，因为它将激励我们想出其他方法来设计量子位，绕过这个问题。”
该论文的第一作者、麻省理工学院电子研究实验室的博士后安蒂韦普斯宁说：“超导量子比特对弱辐射的敏感程度令人着迷。”了解设备中的这些效应也将有助于了解其他应用，如天文学中使用的超导传感器。”
麻省理工学院的合著者还包括阿米尔卡拉姆卢、阿克苏娜多格拉、弗朗西斯卡赛洛斯、西蒙古斯塔夫松和物理学教授约瑟夫福马乔，以及大卫金、亚历山大梅尔维尔。来自林肯实验室的贝瑟尼尼德兹尔斯基、琼尼林约德尔、来自PNNL的约翰奥瑞尔、本勒尔和布伦特范德维德。
宇宙效应
超导量子位是由超导材料制成的电路，它包含许多对电子，即库珀对。这些电子对在电路中无阻力地流动，并一起维持量子位的脆弱叠加状态。如果电路被加热或干扰，电子对将分裂成“准粒子”，这将导致量子位的退相干并限制它们的运行。
有许多退相干源会使量子位不稳定，例如波动的磁场和电场、热能，甚至量子位之间的干扰。长期以来，科学家们一直怀疑极低的辐射也会对量子位产生类似的影响，并破坏它们的稳定性。
“在过去的五年里，超导量子比特的质量已经大大提高了。现在，我们遇到辐射影响的概率不到十分之一。”金补充道。他是林肯实验室的技术员。
因此，奥利弗和福里吉奥共同研究了如何确定低水平环境辐射对量子位的影响。作为一名中微子物理学家，福马乔拥有设计实验的专业知识，能够屏蔽最小的辐射源，因此能够看到中微子和其他难以探测的粒子。
“校准是关键”
他们与林肯实验室和PNNL的研究人员合作。首先，他们设计了实验来校准已知辐射水平对超导量子位性能的影响。为此，他们需要一个已知的辐射源，其辐射水平应该降低得足够慢，以便研究人员能够在基本恒定的辐射水平下评估影响；同时，它应该足够快，让他们在几周内评估从初始强度到背景辐射的一系列辐射水平。
该小组选择辐照高纯度铜箔。当暴露在高通量中微子流中时，铜会产生大量的同位素铜-64，这是一种不稳定的同位素，其特性完全满足他们的需要。
福马乔说：“铜就像一块海绵，不断吸收中微子。”他和麻省理工学院核反应实验室的操作人员一起，花了几分钟的时间辐射两个小的圆形铜片。接下来，他们在超导量子位旁边放了一张铜片，两者都被放在奥利弗学校实验室的稀释冰箱里。冰箱内的温度只有外层空间温度的百分之一。随着铜的放射性逐渐降低到环境背景水平，他们测量了不同放射性下铜对量子位相干性的影响。
而第二个铜片是在室温下测量的，它作为自然环境中辐射水平对量子位影响的标准参考。通过这些测量和相关的模拟，研究小组了解了辐射水平和量子位性能之间的关系，由此可以推断出辐射对自然环境的影响。基于上述测量，量子比特相干时间将被限制在大约4毫秒。
“游戏还没有结束。”
接下来，研究小组移除了辐射源，并着手证明屏蔽环境辐射的影响可以提高量子位的相干时间。为此，研究人员用铅块建造了一堵2吨重的墙，并把它放在剪式升降机上，通过提升来控制冰箱是否受到环境辐射的影响。
"我们在这个冰箱周围建了一个小堡垒。"奥利弗说。
在接下来的几个星期里，每隔10分钟，奥利弗实验室的学生们将依次按下按钮，使铅墙上升或下降，同时，一个探测器将测量量子位的完整性或弛豫率。通过这种方式，他们评估环境辐射是否会影响有或没有屏障的量子位。通过比较两组结果，他们有效地总结了环境辐射的影响，证实了4毫秒的预测，并证明屏蔽可以提高量子位的性能。
"宇宙射线很难消除。"法甲乔说：“它有很强的穿透力，能穿过任何东西，像喷气式飞机。”如果你进入地下，你会收到越来越少的射线。也许没有必要像中微子实验那样在地下深处建造量子计算机，但地下深处的设施可以提高量子比特的运行水平。”
转入地下不是唯一的选择。奥利弗有了一个设计量子计算设备的想法，这种设备可以在面对背景辐射时正常工作。
“如果我们想建立一个行业，我们更倾向于减少辐射对地面的影响。”奥利弗说：“我们可以考虑设计能够抵抗辐射的量子位，并且对排列粒子不太敏感。”我们也可以设计准粒子陷阱，这样即使辐射持续产生准粒子，它们也会立即流出量子位。因此，这绝对不是终点。我们需要做的是揭开下一层洋葱。”
