Kosminiai spinduliai gali kelti problemų ateities kvantiniams kompiuteriams

Timothy Holland, PNNL

Kvantinė kompiuterija gali susidoroti su sudėtingomis problemomis itin dideliu greičiu. Tai daro tai įmanoma dėl to, kaip naudojami kubitai – paprastai subatominės dalelės, tokios kaip elektronai – kurie naudoja kvantines savybes, kad atspindėtų daugybę kombinacijų, kurios nėra 0 arba vienas įprastų bitų. Kai susipainioja kubitų poros, jos gali pakeisti viena kitos būseną nuspėjamu būdu, net ir labai dideliais atstumais, dar labiau padidindami apdorojimo galią.

Visa tai kainuoja. Kubitai yra labai jautrūs net mažiausiems trikdžiams, greitai suyra ir išnyksta vykstant procesui, vadinamam dekoherence. Ir pagal nauji atradimai, paskelbti Nature trečiadienį kosminė spinduliuotė yra viena dekoherencijos priežasčių, kuri gali pasirodyti ypač varginanti.

Naujasis tyrimas pagrįstas tam tikro tipo kvantiniu skaičiavimu, kuris naudoja superlaidžias medžiagas, kad sukurtų kubitus per įkrautas elektronų poras. Išvados rodo, kad natūraliai atsirandančios spinduliuotės, kurią sukuria įprastos aplink mus esančios medžiagos, pavyzdžiui, betoninės konstrukcijos, pakanka, kad tokio tipo kubito būsenos naudingo tarnavimo laikas būtų apribotas iki kelių milisekundžių, o tai trukdo praktiškai pritaikyti kvantinį kompiuterį. Kosminių spindulių sukurta spinduliuotė turėtų dar didesnį poveikį.

Tai yra problema, nes ji iš esmės turi įtakos bet kuriai tokiai sistemai, kuri nėra apsupta švinu arba nėra saugoma po žeme. Bet kuri vieta, veikiama kosminių spindulių, bus prasta vieta bandyti vykdyti tokius procesus.

Bet koks kvantinis kompiuteris, pagrįstas superlaidaus kubito technologija, turės labai aiškiai susidoroti su radiacijos poveikiu, sako tyrimo bendraautoris Brentas VanDevenderis iš Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinės laboratorijos Ričlande, Vašingtone.

Radiacija pažeidžia kubitus, nusodindama juose energiją. Norint suskaidyti superlaidininko elektronų poras, reikia labai mažai energijos, o šios poros skyla į laisvuosius elektronus, dėl kurių gali įvykti energijos mainai, kurie gali sunaikinti subtilią superlaidininko būseną. Dėl to kubitai praranda savo kvantinę būseną ir dekoheruoja, nutraukdami bet kokį faktinį kvantinį skaičiavimą.

MIT kvantinių skaičiavimų tyrėjo Antti Vepsäläineno vadovaujama komanda apšvitintu variu paveikė superlaidžius kubitus ir nustatė, kad kubitai, veikiami tik natūralaus radiacijos lygio, buvo stabilūs maždaug keturias milisekundes. Tai iš tikrųjų yra ilgiau nei tai, ką dabar matome vidutiniškai kvantinio skaičiavimo eksperimentuose (apie 0,1 milisekundės stabilumo), tačiau net kelios milisekundės vis dar yra per trumpos praktiniams kvantinio skaičiavimo taikymams. Tyrime pabrėžiama, kad net jei galime pašalinti kitas dekoherencijos priežastis, tokias kaip fiziniai virpesiai ar temperatūros pokyčiai, radiacija vis tiek apsunkins kvantinį skaičiavimą.

Išvados pernelyg nestebina, sako Shyamas Shankaras, kvantinių skaičiavimų tyrėjas iš Teksaso universiteto Ostine, kuris nedalyvavo šiame tyrime. Sakyčiau, daugelis žmonių tikėtųsi, kad taip nutiks. Tačiau tiksliai nežinojome, kokiu lygiu ši spinduliuotė paveiks kubitus. Taip yra iš dalies dėl to, kaip sunku iš tikrųjų vykdyti šiuos eksperimentus. Malonu matyti, kad kiti iš tikrųjų atlieka eksperimentą ir gauna tikrąsias šio reiškinio vertes, sako jis.

Dabar pats laikas pradėti tai suprasti ir spręsti, sako VanDevender. Kvantinės skaičiavimo inžinieriai gali panaudoti klaidų taisymo mechanizmus, kurie gali padėti sušvelninti šiuos padarinius, tačiau šiuo metu jie yra per lėti, kad pasivytų radiacijos sukeltą kubito dekoherenciją.

Kadangi daugumoje planetos paviršiaus vietų prasiskverbia žemas kosminių spindulių spinduliuotės lygis, geriausias būdas sumažinti spinduliuotės trukdžius gali būti lengviausias: apsaugoti kubito įrenginius nuo spinduliuotės (naudojant tokias medžiagas kaip švinas) arba pastatyti juos po žeme. VanDevender mano, kad tikriausiai yra idealus vidurys, kuriam prireiks kuklių ekranų ir seklių požeminių vietų. Kitaip tariant, jei kuriate kvantinį kompiuterį, pastatykite jį į rūsį. Būsimi inžinieriai taip pat gali ieškoti būdų, kaip sukurti kubitus, kurie kažkaip mažiau jautrūs radiacijai.

Nors tai nėra puiki naujiena kvantiniam skaičiavimui, gali būti ir šviesioji šio tyrimo pusė. Pasirodo, kubitai ar kažkas panašaus į juos yra fantastiški radiacijos detektoriai, sako VanDevender. Tikimasi, kad ieškant tamsiosios medžiagos ar eksperimentų, kurie gali atskleisti kai kuriuos ilgai ieškotus mūsų standartinio dalelių fizikos modelio trūkumus, jautrumas padidės.

Pataisa 2020-08-23: Iš pradžių šioje istorijoje buvo nurodytos netikslios kvantinės skaičiavimo sistemos, esančios kosmose. Pašalinome šias nuorodas.

paslėpti