211service.com
Promienie kosmiczne mogą stanowić problem dla przyszłych komputerów kwantowych
Timothy Holland, PNNL
Obliczenia kwantowe może rozwiązywać złożone problemy przy bardzo dużych prędkościach. Umożliwia to sposób, w jaki wykorzystuje kubity — zwykle cząstki subatomowe, takie jak elektrony — które wykorzystują właściwości kwantowe do reprezentowania wielu kombinacji poza 0 lub jeden konwencjonalnych bitów. Kiedy pary kubitów są splątane, mogą zmieniać swój stan w przewidywalny sposób, nawet z bardzo dużych odległości, jeszcze bardziej zwiększając moc przetwarzania.
Wszystko to ma swoją cenę. Kubity są bardzo wrażliwe na nawet najmniejsze zakłócenia, szybko rozpadają się i zanikają w procesie zwanym dekoherencją. I zgodnie z nowe odkrycia opublikowane w Nature w środę promieniowanie kosmiczne jest jedną z przyczyn dekoherencji, która może okazać się szczególnie dokuczliwa.
Nowe badanie opiera się na rodzaju obliczeń kwantowych, które wykorzystują materiały nadprzewodzące do wytwarzania kubitów za pomocą naładowanych par elektronów. Odkrycia wskazują, że naturalnie występujące promieniowanie wytwarzane przez normalne materiały wokół nas, takie jak konstrukcje betonowe, wystarczy, aby ograniczyć użyteczny czas życia tego typu stanu kubitowego do zaledwie kilku milisekund, osłabiając praktyczne zastosowanie komputera kwantowego. Promieniowanie wytwarzane przez promienie kosmiczne miałoby jeszcze większy efekt.
Jest to problem, ponieważ dotyczy w zasadzie każdego takiego systemu, który nie jest otoczony ołowiem lub składowaną pod ziemią. Każde miejsce wystawione na działanie promieni kosmicznych będzie kiepskim miejscem do przeprowadzenia tego rodzaju procesów.
Każdy komputer kwantowy oparty na nadprzewodzącej technologii kubitowej będzie musiał bardzo wyraźnie poradzić sobie ze skutkami promieniowania, mówi współautor badania Brent VanDevender z Pacific Northwest National Laboratory w Richland w stanie Waszyngton.
Promieniowanie uszkadza kubity, odkładając w nich energię. Rozbicie par elektronów w nadprzewodniku wymaga bardzo mało energii, a pary te rozpadają się na wolne elektrony, co potencjalnie prowadzi do wymiany energii, która może zniszczyć delikatny stan nadprzewodnika. Powoduje to, że kubity tracą swój stan kwantowy i dekoherują, kończąc wszelkie rzeczywiste obliczenia kwantowe.
Zespół, którym kierował Antti Vepsäläinen, naukowiec zajmujący się obliczeniami kwantowymi z MIT, wystawił kubity nadprzewodzące na działanie napromieniowanej miedzi i odkrył, że kubity wystawione tylko na naturalne poziomy promieniowania były stabilne przez około cztery milisekundy. W rzeczywistości jest to dłużej niż to, co obecnie obserwujemy przeciętnie w eksperymentach z obliczeniami kwantowymi (około 0,1 milisekundy stabilności), ale nawet kilka milisekund to wciąż za mało dla praktycznych zastosowań obliczeń kwantowych. W badaniu podkreślono, że nawet jeśli uda nam się wyeliminować inne przyczyny dekoherencji, takie jak wibracje fizyczne czy zmiany temperatury, promieniowanie nadal będzie utrudniać obliczenia kwantowe.
Odkrycia nie są zbyt zaskakujące, mówi Shyam Shankar, naukowiec zajmujący się obliczeniami kwantowymi z University of Texas w Austin, który nie był zaangażowany w to badanie. Powiedziałbym, że wielu ludzi spodziewałoby się, że tak się stanie. Ale nie wiedzieliśmy dokładnie, na jakim poziomie to promieniowanie wpłynie na kubity. Wynika to częściowo z tego, jak trudno jest faktycznie przeprowadzić te eksperymenty. Miło jest widzieć, jak inni faktycznie przeprowadzają eksperyment i uzyskują rzeczywiste wartości tego zjawiska, mówi.
Teraz jest czas, aby zacząć to rozumieć i radzić sobie z tym, mówi VanDevender. Inżynierowie zajmujący się obliczeniami kwantowymi mogą wdrożyć mechanizmy korekcji błędów, które mogą pomóc złagodzić te efekty, ale obecnie są one zbyt wolne, aby dogonić dekoherencję kubitów wywołaną promieniowaniem.
Przy niskim poziomie promieniowania promieniowania kosmicznego przenikającego większość miejsc na powierzchni planety, najlepsze sposoby na złagodzenie zakłóceń promieniowania mogą być najłatwiejsze: osłaniaj kubity przed promieniowaniem (za pomocą materiałów takich jak ołów) lub buduj je pod ziemią. VanDevender uważa, że prawdopodobnie istnieje idealny środek, który będzie wymagał skromnej osłony i płytkich podziemnych lokalizacji. Innymi słowy, jeśli budujesz komputer kwantowy, umieść go w piwnicy. Przyszli inżynierowie mogą również przyjrzeć się opracowaniu kubitów, które są w jakiś sposób mniej wrażliwe na promieniowanie.
Chociaż nie jest to świetna wiadomość dla komputerów kwantowych, może istnieć jasna strona tych badań. Okazuje się, że kubity lub coś podobnego to fantastyczne detektory promieniowania, mówi VanDevender. Istnieje nadzieja na poprawę czułości w poszukiwaniach ciemnej materii lub eksperymentach, które mogą ujawnić pewne od dawna poszukiwane wady naszego standardowego modelu fizyki cząstek elementarnych.
Poprawka 23.08.20: Ta historia początkowo zawierała odniesienia do kosmicznych systemów obliczeniowych kwantowych, które były niedokładne. Usunęliśmy te odniesienia.