宇宙射线将是量子计算发展之路上遭遇的新瓶

量子计算的实用性取决于量子位元（qubit）的完整性。量子位元是量子计算机的逻辑元件，是代表量子信息的相干二能级系统。每个量子位元都有一种奇特的能力，可以处于量子叠加状态，同时携带两种状态的各个方面，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位元，那么它们可能会比今天的传统计算机快得令人眼花缭乱，并且能够处理更复杂的问题。但这一切都取决于量子位元的完整性，也就是在叠加和量子信息丢失之前，量子位元能够运行多长时间——这个过程被称为“退相干”，它最终会限制计算机的运行时间。超导量子位（当今最主要的量子位模态）已经在这一关键指标上取得了指数级的进步，性能最好的器件从年的不到1纳秒提高到今天的约微秒。但是，来自麻省理工学院和西北太平洋国家实验室（PNNL）的研究人员发现，量子位的性能提升很快就将“碰壁”。研究人员报告说，混凝土墙壁中微量元素和宇宙射线发出的低强度、无害的背景辐射足以导致量子位元的退相干。他们发现，如果不加以缓解，这种效应会将量子位元的性能限制在几毫秒之内。考虑到科学家一直在改进量子位元的速度，他们可能会在短短几年内撞上这堵辐射诱导的墙。为了克服这一障碍，科学家们将不得不想方设法保护量子位元和任何实用的量子计算机，免受低水平辐射的伤害，可能的方法就是通过在地下建造计算机，或设计耐受辐射影响的量子位元。科学家解释道，这些退相干机制就像一个洋葱，在过去的20年里，我们一直在剥离这些层，但是还有一层没有减弱，这将在几年内限制我们，这就是环境辐射。但是，这也是一个令人兴奋的结果，因为它会激励我们想出其他方法来设计量子位原来解决这个问题。宇宙的影响超导量子位是由超导材料制成的电路。它们由大量成对电子组成，称为库珀对，它们在电路中无电阻流动，共同工作以维持量子位元的微弱叠加状态。如果电路被加热或被破坏，电子对就会分裂成“准粒子”，在量子位元中引起退相干，从而限制了其运行。有许多退相干源可以使一个量子位元不稳定，例如波动的磁场、电场、热能，甚至量子位元之间的干扰。长期以来，科学家们一直怀疑，极低水平的辐射可能会对量子位产生类似的不稳定效应。科学家表示，在过去的五年里，超导量子位元的质量有了很大的提高，现在我们距离产生辐射影响的目标只有十倍之多。因此，科学家们将研究如何确定低水平环境辐射对量子位元的影响。他们设计了一些实验，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。“校准是关键”研究团队首先必须设计一个实验，来校准已知辐射水平对超导量子位性能的影响。要做到这一点，他们需要一个已知的放射源——它的辐射量降低得足够慢，能够在基本恒定的辐射水平下评估影响，同时又足够快，可以在几周内评估一系列辐射水平，直到背景辐射水平。该小组选择照射一层高纯度的铜箔。当铜暴露于高通量的中子中时，会产生大量的铜-64，这是一种不稳定的同位素，具有所需的特性。科学家解释道，铜就像海绵一样吸收中子。科学家对两个小铜盘进行了几分钟的照射。然后，他们将其中一个圆盘放入奥利弗校园实验室的稀释冰箱中，紧挨着超导量子比特。在温度比外层空间低约倍的情况下，他们测量了铜的放射性对量子位相干性的影响，同时放射性降低——下降到环境背景水平。第二盘的放射性是在室温下测量的，作为测量到达量子位的能级。通过这些测量和相关的模拟，研究小组了解了辐射水平和量子位元性能之间的关系，这可以用来推断自然环境辐射的影响。基于这些测量，量子位相干时间将被限制在4毫秒左右。“游戏结束”然后，研究小组移除了辐射源，并继续证明屏蔽量子位不受环境辐射的影响可以提高相干时间。为了做到这一点，研究人员建造了一个2吨重的铅砖墙，可以在剪刀式升降机上升降，既可以屏蔽冰箱，也可以让冰箱暴露在周围的辐射下。在接下来的几个星期里，研究人员每隔10分钟就按下一个按钮，让墙壁升高或降低，同时，一个探测器会测量量子位元的完整性，或者“弛缓率”，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位元的方法。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，证明屏蔽措施可以提高量子位的性能。科学家表示，宇宙射线辐射很难消除。它非常具有穿透力，就像急流一样直接穿透一切。如果你能深入地下，那辐射影响就会越来越少。也许，没有必要在地下深处建造量子计算机，就像中微子实验一样，但也许地下深处的设施可以让量子位在更高的水平上运行。当然，藏在深深的地下并不是唯一的选择，科学家有办法设计出在背景辐射下仍能工作的量子计算设备。科学家解释道，如果我们想发展这个产业，我们可能更愿意减轻地面辐射的影响。我们可以考虑设计量子位元，使它们“耐辐射”，对准粒子不那么敏感，或者为准粒子设计陷阱，这样即使它们不断被辐射产生，它们也可以从量子位元中流失。所以，这绝对不是游戏结束，这只是我们需要解决的下一层洋葱。如果朋友们喜欢，敬请

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