211service.com
Kosmiske stråler kan utgjøre et problem for fremtidige kvantedatamaskiner
Timothy Holland, PNNL
Kvanteberegning har potensial til å håndtere komplekse problemer i hyperraske hastigheter. Det som gjør dette mulig er måten den utnytter qubits - typisk subatomære partikler som elektroner - som bruker kvanteegenskaper for å representere tallrike kombinasjoner utover 0 eller en av konvensjonelle biter. Når par med qubits er sammenfiltret, kan de endre hverandres tilstand på forutsigbare måter, selv på svært lange avstander, og øke prosessorkraften ytterligere.
Alt dette har en kostnad. Qubits er svært følsomme for selv de minste forstyrrelser, forfaller raskt og forsvinner i en prosess som kalles dekoherens. Og iflg nye funn publisert i Nature onsdag er kosmisk stråling en årsak til dekoherens som kan vise seg å være spesielt plagsom.
Den nye studien er basert på en type kvanteberegning som bruker superledende materialer for å produsere qubits via ladede elektronpar. Funnene indikerer at naturlig forekommende stråling produsert av normale materialer rundt oss, som betongkonstruksjoner, er nok til å begrense brukstiden til denne typen qubit-tilstand til bare noen få millisekunder, noe som gjør den praktiske anvendelsen av en kvantedatamaskin sløv. Stråling produsert av kosmiske stråler ville ha en enda større effekt.
Dette er et problem fordi det påvirker praktisk talt ethvert slikt system som ikke er omgitt av bly eller lagret under jorden. Ethvert sted som er utsatt for kosmiske stråler vil være et dårlig sted å prøve å kjøre denne typen prosesser.
Enhver kvantedatamaskin basert på superledende qubit-teknologi må meget eksplisitt håndtere effekten av stråling, sier studiemedforfatter Brent VanDevender fra Pacific Northwest National Laboratory i Richland, Washington.
Stråling skader qubits ved å avsette energi i dem. Det krever svært lite energi å bryte opp elektronpar i en superleder, og disse parene brytes opp til frie elektroner, noe som potensielt kan føre til energiutvekslinger som kan ødelegge superlederens delikate tilstand. Dette fører til at qubits mister sin kvantetilstand og dekoherer, og avslutter enhver faktisk kvanteberegning.
Teamet – ledet av Antti Vepsäläinen, en kvanteberegningsforsker ved MIT – eksponerte superledende qubits for bestrålt kobber og fant at qubits eksponert for bare naturlige nivåer av stråling var stabile i omtrent fire millisekunder. Dette er faktisk lengre enn det vi nå ser i gjennomsnitt i kvanteberegningseksperimenter (omtrent 0,1 millisekunders stabilitet), men selv noen få millisekunder er fortsatt for kort for praktiske kvanteberegningsapplikasjoner. Studien understreker at selv om vi kan eliminere andre årsaker til dekoherens, som fysiske vibrasjoner eller temperaturendringer, vil stråling fortsatt gjøre kvanteberegning vanskelig.
Funnene er ikke så overraskende, sier Shyam Shankar, en kvantedataforsker ved University of Texas i Austin, som ikke var involvert i denne studien. Jeg vil si at mange forventer at dette skal skje. Men vi visste ikke nøyaktig på hvilket nivå denne strålingen ville påvirke qubits. Det er delvis på grunn av hvor vanskelig det er å faktisk kjøre disse eksperimentene. Det er hyggelig å se at andre faktisk får gjort eksperimentet og får faktiske verdier for dette fenomenet, sier han.
Nå er tiden inne for å begynne å forstå og håndtere dette, sier VanDevender. Kvantedataingeniører kan distribuere feilkorrigeringsmekanismer som kan bidra til å dempe disse effektene, men for tiden er de for trege til å ta igjen strålingsindusert qubit-dekoherens.
Med lave nivåer av stråling fra kosmiske stråler som gjennomsyrer de fleste steder på planetens overflate, kan de beste måtene å dempe strålingsinterferens være den enkleste: skjerme qubit-enheter mot stråling (ved å bruke materialer som bly), eller bygge dem under jorden. VanDevender tror det sannsynligvis er en ideell mellomting som vil kreve beskjeden skjerming og grunne underjordiske steder. Med andre ord, hvis du bygger en kvantedatamaskin, sett den i en kjeller. Fremtidige ingeniører kan også se på å utvikle qubits som på en eller annen måte er mindre følsomme for stråling.
Selv om det ikke er gode nyheter for kvanteberegning, kan det være en lys side ved denne forskningen. Det viser seg at qubits eller noe lignende er fantastiske strålingsdetektorer, sier VanDevender. Håpet er for forbedret følsomhet i søk etter mørk materie eller eksperimenter som kan avsløre noen lenge ettersøkte feil i vår standardmodell for partikkelfysikk.
Korreksjon 23.8.20: Denne historien refererte opprinnelig til rombaserte kvantedatabehandlingssystemer som var unøyaktige. Vi har fjernet disse referansene.