金磊发自凹非寺

　　量子位报道公众号 QbitAI

　　谷歌去年提出的「量子优越性」，在业界引起了不小的轰动。

　　毕竟，量子运算 200 秒，相当于地球最强超算 100 年。

　　看似前景一片大好。

　　然而，MIT 最近的一项研究却给量子计算的发展泼了一盆「冷水」：

宇宙射线发出的低强度无害背景辐射，足以导致量子比特退相干。

　　要知道，这种「背景辐射」，可以说是一种充满整个宇宙的电磁辐射。

　　并且，研究还登上了近期的 Nature 杂志。

　　为什么量子计算如此「脆弱」？

　　量子比特（qubits）的完整性是一个关键问题。

　　量子比特，是量子计算中的逻辑元素，每个量子比特都有一个「神奇的能力」，就是可以处于「量子叠加态」。

　　这种能力让量子比特可以同时存在 2 种状态，从而实现了量子版的并行计算。

　　因此，一台量子计算机若是能够在一个处理器上，扩展容纳许多量子比特，那么就会比现在传统的计算机速度要快上很多，而且还能解决更为复杂的问题。

　　但这一切都取决于量子比特的完整性。换言之，就是取决于它能在叠加态和量子信息丢失之前，能够工作多长时间。

　　这个过程叫做退相干，最终限制了量子计算机的运行时间。

　　但最近，MIT 和太平洋西北国家实验室 （PNNL）的研究人员却发现，混凝土墙壁中的微量元素，以及宇宙射线发出的低水平、无害的辐射，却会足以引起这种「退相干」现象的发生。

　　他们首先设计了一个实验，要做的就是「校准已知辐射水平对超导量子比特的影响」。

　　为此，他们需要一个已知的放射源，它的放射性既要「慢」，又要「快」。

　　慢，是指要慢到足以评估基本恒定辐射水平下的影响；快，是指要快得足以在几周内评估一系列辐射水平，直到背景辐射水平。

　　团队选择了一种高纯度的铜箔，当暴露在高通量的中子下时，铜会产生大量的⁶⁴Cu（铜-64），这是一种不稳定的同位素，性质方面较为理想。

　　他们准备了 2 盘这样的铜片，先照射了它们几分钟，将其中 1 盘放在超导量子比特旁，再一起置于稀释制冷机中。

　　制冷机的温度大约在零下 200 度左右，而随着⁶⁴Cu 放射性降至正常环境水平，研究人员测量出了辐射对量子比特退相干的影响。

　　作为对比，第 2 盘铜片的实验是在常温下进行，也测量了在这种情况下，辐射与量子比特退相干之间的影响。

　　他们发现，若是不加以缓和，会把量子比特的性能限制在几毫秒之内（目前性能较好的可达到 200 微秒）。

　　对此，MIT 电气工程和计算机科学副教授 William Oliver 表示：

这些退相干的机制就像一个洋葱，过去 20 年，我们在一层一层剥开它。但现在还有一层，若是不加以限制，几年内就会限制我们的发展，这就是环境辐射。

这是一个令人兴奋的发现，可以让我们思考用其他的方法来设计量子比特，以此来绕过这个问题。

　　墙也挡不住

　　除此之外，研究人员移除了放射源，并进一步证明将量子比特屏蔽在环境辐射之外，可以提高相干时间。

　　为此，研究人员建立了一个 2 吨重、可升降的铅砖墙。

　　在实验室中，学生们每隔 10 分钟便按一次按钮，让这个墙上升或下降，这样的操作持续了几周之久。

　　这样做的目的，就是在「有防护罩」和「无防护罩」两种情况下，辐射对量子比特的影响。

　　而结果表明，屏蔽辐射能够提高量子比特的特性。

　　但与此同时，研究人员也表示：

宇宙辐射的穿透力极强，是很难消除的。

像一股高速气流一样穿透一切。

　　怎么破？

　　不过，我们也不要对量子计算机太过悲观，研究人员给出了解决方案：

没必要把量子计算机建在像中微子实验室那么深的地方，大部分辐射粒子容易被阻挡。

地下深处的设施，可以让量子比特在更高的水平上运行。

　　但转入地下并不是唯一选择，研究人员对于如何设计在背景辐射下仍能工作的量子计算设备，提出了自己的看法：

如果我们想要建立一个产业，可能更倾向于减轻地面辐射的影响。

我们可以考虑设计量子比特，让他们难以接触辐射，或者对粒子不那么敏感。

　　作者介绍

　　△Antti Vepsäläinen

　　Antti 于 2018 年获得阿尔托大学物理学博士学位，当时主要研究超导电路中量子态的绝热控制，并研究了用于超灵敏测量磁场的简单量子算法。

　　目前是 MIT 电子学研究实验室博士后，继续研究超导量子比特。

　　△Amir Karamlou

　　Amir Karamlou 于 2018 年毕业于 MIT，并获得物理与电子工程及计算机科学学士学位和电子工程与计算机科学硕士学位。

　　参考链接：

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

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