新研究：低强度环境辐射足以导致量子比特退相干

美国麻省理工学院和西北太平洋国家实验室（PNNL）的研究人员最近发现，随着量子计算领域的快速发展，量子比特的性能很快就会遇到阻碍。这项研究发表在 8 月 26 日的《自然》杂志上。

研究表明，混凝土墙壁中微量元素和宇宙射线发出的低强度、无害的环境辐射足以导致量子比特的退相干。科研人员发现，如果不加以控制，这种辐射会将量子比特的性能限制在几毫秒之内。要知道，近年来的量子比特的相干时间一直以指数级增长，性能最好的超导量子比特的相干时间从 1999 年的不到 1 纳秒，提高到了今天的约 200 微秒。这也意味着，在未来几年里，环境辐射将是量子计算领域不得不面对的问题。

图 | 宇宙射线可能会限制量子比特的性能，阻碍量子计算的发展。（来源：麻省理工学院 / Christine Daniloff）

量子计算机的阻碍

量子比特是量子计算机的逻辑元件，在量子信息学中是量子信息的计量单位。每个量子比特都有一种奇怪的能力，可以处于量子叠加态，同时存在两种状态，从而实现量子版本的并行计算。如果量子计算机能够在一个处理器上容纳许多量子比特，那么它的速度将会呈指数级增长，并且能够处理比现在的传统计算机复杂得多的问题。

但这一切都取决于一个量子比特的完整性，或者在叠加态和量子信息丢失之前，一个量子比特能运行多长时间，这个过程被称为 “退相干”，它最终会限制计算机的运行时间。超导量子比特是当今最主要的量子比特模态，它已经在这一关键指标上取得了指数级的进步。

如此一来，可能在短短几年内，量子计算机就会碰到由辐射诱发的障碍。为了克服这一障碍，科学家们必须找到保护量子比特和量子计算机不受低强度辐射影响的方法。科学家们表示，或许可以在地下建造量子计算机，或者设计出能够耐受辐射影响的量子比特才能解决这一问题。

麻省理工学院林肯实验室研究员、电气工程和计算机科学副教授 William Oliver 表示：“研究这些退相干机制就像剥洋葱, 过去 20 年我们已经剥了很多层, 但是还有另外一层（即环境辐射）一直存在，这将限制我们在未来几年内的发展。不过这也是一个令人兴奋的结果，因为它将激励我们去思考用其他方法来设计量子比特，并最终解决这个问题。”

图 | 量子计算机内部（来源：IBM）

这篇论文的第一作者是 Antti Vepsalainen，他是麻省理工学院电子研究实验室的博士后。他说：“超导量子比特对微弱的辐射的敏感性令人着迷。了解量子计算设备中的这些影响也可以在其他应用中有所帮助，例如天文学中使用的超导传感器等。”

校准是关键

超导量子比特是由超导材料制成的电路。它们由成对的电子（即库珀对）组成，它们在没有电阻的情况下流经电路，并共同作用以维持量子比特的微弱叠加状态。

如果电路被加热或以其他方式破坏，电子对可能分裂成 “准粒子”，从而导致量子比特的退相干，进而限制了电路的工作。有许多退相干源可能会使量子比特不稳定，例如波动的磁场和电场，热能，甚至量子比特之间的干扰。

长期以来，科学家一直怀疑很低的辐射也会对量子比特产生类似的破坏作用。因此，Oliver 和 Formaggio 联手研究了低水平环境辐射是如何对量子比特产生影响的。作为中微子物理学家，Formaggio 在设计实验方面造诣颇深，这些实验可以屏蔽最小的辐射源，从而能够看到中微子和其他难以探测的粒子。

该团队与林肯实验室和 PNNL 的合作者们一起，设计了一个实验。首先他们必须校准已知辐射水平对超导量子比特性能的影响。为此，他们需要一个已知的放射源，而且该放射源的放射性要衰减得足够慢，这样才能在基本恒定的辐射水平下评估其影响，还要能很快地在几周内评估出一定范围的辐射水平，直至达到环境辐射的水平。

研究人员最终选择照射一层高纯度铜箔作为辐射源。当暴露于高通量的中子中时，铜会产生大量的铜 - 64，这是一种理想的不稳定同位素。“铜就像海绵一样吸收中子。”

Formaggio 与麻省理工学院核反应堆实验室的操作员合作，照射了两小盘铜片，并持续了几分钟。然后，他们将小盘放在超导量子比特旁边，一起置于实验室中的稀释制冷机中。在比外部空间冷 200 倍的温度下，随着铜 64 放射性降至环境正常水平，他们测量了铜的放射性对量子比特相干性的影响。

第二个小盘的放射性影响是放在室温下测量的，以此作为对比。通过这些测量和相关的模拟，该团队了解了辐射水平和量子比特性能之间的关系，而且可以用来推断自然发生的环境辐射的影响。基于这些测量，量子比特的相干时间被限制为大约 4 毫秒。

游戏还未结束

在接下来的实验中，研究小组移除了辐射源，并继续证明量子比特在屏蔽环境辐射影响时，可以提高相干时间。

为了做到这一点，研究人员建造了一个 2 吨重的升降铅砖墙，它可以保护制冷机远离辐射环境。“我们围绕着这台制冷机建了一个小城堡，” Oliver 说。

随后的几个星期里，Oliver 实验室的学生们每隔 10 分钟就轮流按下一个按钮，让保护墙升高或降低，同时，探测器会测量量子比特的完整性，这是一种测量环境辐射在有防护罩和没有防护罩的情况下，如何影响量子比特的方法。通过比较两个结果，他们有效地提取了环境辐射的影响，证实了 4 毫秒的预测，同时证明屏蔽辐射能提高量子比特的性能。

Formaggio 说：“宇宙射线辐射很难消除，它非常具有穿透力。在地下，这些辐射会越来越少。也许没有必要像建造中微子实验一样在地下深处建造量子计算机，但在地下深处，确实可以让量子比特在更高的水平上运行。”

地下建造量子计算机并不是唯一的选择，Oliver 表示还有一个办法，就是设计出在正常辐射下仍能工作的量子计算设备。

Oliver 说：“如果我们想建立一个产业，我们就不得不考虑减轻辐射的影响。我们还可以考虑设计量子比特，使它们难以接触辐射，使它们对准粒子不那么敏感，或者为准粒子设计陷阱，让准粒子从量子比特中流失。所以这绝对不是游戏结束，这只是我们需要解决的下一层问题。”