自然辐射–包括来自外太空的宇宙射线可能对量子计算机造成严重破坏

研究表明，有必要屏蔽量子位，使其免受自然辐射的影响，例如来自外太空的宇宙射线。

一个多学科的研究小组表明，环境中自然资源的辐射会限制超导量子位(即量子位)的性能。这项发现今天发表在《自然》杂志上，对量子计算机的建设和运营产生了影响。量子计算机是一种先进的计算形式，已在全球吸引了数十亿美元的公共和私人投资。

美国能源部太平洋西北国家实验室(PNNL)和麻省理工学院(MIT)的团队之间的合作，有助于解释限制量子比特性能的神秘干扰源。

PNNL研究物理学家，该研究的资深作者，低辐射专家测量。“这些发现表明，辐射屏蔽对于在这种设计的量子计算机中获得长期追求的性能将是必要的。”

自然辐射对计算机造成严重破坏

计算机工程师至少知道十年，从混凝土等材料发出的自然辐射以宇宙射线的形式穿过我们的大气，会导致数字计算机故障。但是数字计算机并不像量子计算机那样敏感。

这项研究的共同研究者PNNL物理学家布伦特·范德文德(Brent VanDevender)说：“我们发现，除非我们解决辐射问题，否则用这些设备进行实用的量子计算是不可能的。”

自然辐射可能会干扰超导暗物质探测器(在此可见)和超导量子位。图片来源：蒂莫西·霍兰(PNL)

研究人员联手解决了一个难题，即一直在努力使超导量子计算机工作足够长的时间，以使其可靠和实用。运转中的量子计算机将比当今运行的最快的超级计算机快数千倍。而且它将能够解决当今数字计算机装备不足的计算难题。但是，眼前的挑战是让量子位保持其状态，这是一项称为“一致性”的壮举，奥尔雷尔说。这种理想的量子状态是赋予量子计算机强大功能的原因。

麻省理工学院的物理学家威尔·奥利弗(Will Oliver)正在研究超导量子位，并在干扰的源头感到困惑，这些干扰帮助将量子位推离了准备状态，导致了“退相干”，并使它们失去功能。在排除了多种可能性之后，他考虑了这样一种想法，即来自土壤中金属等源的自然辐射和来自太空的宇宙辐射可能会将量子比特推向去相干。

Oliver，VanDevender和他的长期合作者，麻省理工学院物理学家Joe Formaggio之间的偶然对话促成了当前项目。

为了验证这一想法，研究团队在两个不同的实验中测量了原型超导量子位的性能：

他们使量子位暴露于在反应堆中活化的铜金属引起的高辐射。

他们在量子位周围建立了屏蔽层，从而降低了环境中的自然辐射量。

这对实验清楚地表明了辐射水平和量子位长度保持一致状态之间的反比关系。

X射线，β射线，宇宙射线和γ射线形式的自然辐射会穿透超导量子位并干扰量子相干性。图片来源：PNNL的Michael Perkins

VanDevender说：“辐射使匹配的电子对破裂，这些电子通常在超导体中没有电阻地携带电流。” “那些不成对的电子的电阻破坏了精心准备的量子比特状态。”

研究人员总结说，这些发现对量子位的设计和构建具有直接的意义。研究人员说，例如，用于构造量子计算机的材料应排除发射辐射的材料。另外，可能有必要使实验量子计算机免受大气中辐射的影响。在PNNL，人们关注的是将地下辐射减少99%的浅层地下实验室是否可以为未来的量子计算机开发服务。确实，欧洲研究小组最近进行的一项研究证实了在地下进行实验时量子比特相干性的提高。

太平洋西北国家实验室浅层地下实验室的超低辐射探测设施中的一名工人。图片来源：PNNL，Andrea Starr

VanDevender说：“如果不进行缓解，辐射将把超导量子位的相干时间限制在几毫秒内，这对于实际的量子计算是不够的。”

研究人员强调，目前，辐射暴露以外的其他因素是量子比特稳定性的更大障碍。人们认为，用于构成量子位的材料中的诸如微观缺陷或杂质之类的现象是造成当前十分之一毫秒的性能极限的主要原因。研究人员说，但是一旦克服了这些限制，辐射就开始成为一个限制，如果没有适当的自然辐射屏蔽策略，辐射将最终成为一个问题。

调查结果影响全球对暗物质的搜寻

除了帮助解释量子位不稳定的根源外，研究结果还可能对暗物质的全球搜寻产生影响，暗物质被认为仅占已知宇宙的85%，但到目前为止，已有人类发现了暗物质仪器。一种信号处理方法涉及使用依赖于与量子位类似设计的超导检测器的研究。暗物质探测器也需要与外部辐射源屏蔽，因为辐射会触发错误的记录，从而掩盖所需的暗物质信号。

PNNL研究物理学家本·洛尔(Ben Loer)表示：“增进我们对这一过程的了解，可能会改进这些超导传感器的设计，并导致对暗物质的更敏感搜索。”他从事暗物质检测和超导量子位的辐射效应研究。“我们也许还可以利用我们在这些粒子物理传感器中的经验来改进未来的超导量子比特设计。”