Det praktiska med kvantberäkning hänger på kvantbitens integritet, eller qubit.

Qubits, kvantdatorernas logiska element, är sammanhängande system på två nivåer som representerar kvantinformation. Varje qubit har den konstiga förmågan att vara i en kvantsuperposition, bära aspekter av båda staterna samtidigt, möjliggör en kvantversion av parallellberäkning. Kvantdatorer, om de kan skalas för att rymma många qubits på en processor, kan vara svindlande snabbare, och kan hantera mycket mer komplexa problem, än dagens konventionella datorer.

Men allt beror på en qubits integritet, eller hur länge den kan fungera innan dess överlagring och kvantinformationen går förlorad - en process som kallas dekoherens, vilket i slutändan begränsar datorns körtid. Superledande qubits - en ledande qubit -modalitet idag - har uppnått en exponentiell förbättring av detta nyckeltal, från mindre än en nanosekund 1999 till cirka 200 mikrosekunder idag för de bäst presterande enheterna.

Men forskare vid MIT, MIT Lincoln Laboratory, och Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har funnit att en qubits prestanda snart kommer att träffa en vägg. I ett papper publicerat i Natur , laget rapporterar att den låga nivån, annars är ofarlig bakgrundsstrålning som avges av spårelement i betongväggar och inkommande kosmiska strålar tillräckligt för att orsaka dekoherens i qubits. De fann att denna effekt, om den lämnas obesvarad, kommer att begränsa qubits prestanda till bara några millisekunder.

Med tanke på hur snabbt forskare har förbättrat qubits, de kan träffa denna strålningsinducerade vägg på bara några år. För att övervinna denna barriär, forskare måste hitta sätt att skydda qubits-och alla praktiska kvantdatorer-från lågnivåstrålning, kanske genom att bygga datorerna under jorden eller designa qubits som är toleranta mot strålningens effekter.

"Dessa avkoherensmekanismer är som en lök, och vi har skalat tillbaka lagren under de senaste 20 åren, men det finns ett annat lager som lämnades oförminskat kommer att begränsa oss om ett par år, som är miljöstrålning, "säger William Oliver, docent i elektroteknik och datavetenskap och Lincoln Laboratory Fellow vid MIT. "Det här är ett spännande resultat, eftersom det motiverar oss att tänka på andra sätt att designa qubits för att komma runt detta problem. "

Tidningens huvudförfattare är Antti Vepsäläinen, en postdoc i MIT:s forskningslaboratorium för elektronik.

"Det är fascinerande hur känsliga supraledande qubits är för den svaga strålningen. Att förstå dessa effekter i våra enheter kan också vara till hjälp i andra applikationer som superledande sensorer som används inom astronomi, "Säger Vepsäläinen.

Medförfattare på MIT inkluderar Amir Karamlou, Akshunna Dogra, Francisca Vasconcelos, Simon Gustavsson, och fysikprofessorn Joseph Formaggio, tillsammans med David Kim, Alexander Melville, Bethany Niedzielski, och Jonilyn Yoder vid Lincoln Laboratory, och John Orrell, Ben Loer, och Brent VanDevender från PNNL.

En kosmisk effekt

Superledande qubits är elektriska kretsar tillverkade av supraledande material. De består av en mängd parade elektroner, känd som Cooper -par, som flödar genom kretsen utan motstånd och arbetar tillsammans för att upprätthålla qubitens tuffa superpositionstillstånd. Om kretsen värms upp eller på annat sätt störs, elektronpar kan delas upp i "kvasipartiklar, "orsakar dekoherens i qubit som begränsar dess funktion.

Det finns många källor till dekoherens som kan destabilisera en qubit, såsom fluktuerande magnetiska och elektriska fält, värmeenergi, och till och med störningar mellan qubits.

Forskare har länge misstänkt att mycket låga strålningsnivåer kan ha en liknande destabiliserande effekt hos qubits.

"Jag de senaste fem åren, kvaliteten på supraledande qubits har blivit mycket bättre, och nu är vi inom en faktor 10 där effekterna av strålning kommer att ha betydelse, "tillägger Kim, en teknisk personal vid MIT Lincoln Laboratotry.

Så Oliver och Formaggio gick ihop för att se hur de kan spika ner effekten av låg nivå miljöstrålning på qubits. Som neutrinofysiker, Formaggio har expertis i att utforma experiment som skyddar mot de minsta strålningskällorna, för att kunna se neutrinoer och andra svåra att upptäcka partiklar.

"Kalibrering är nyckeln"

Laget, arbetar med samarbetspartners på Lincoln Laboratory och PNNL, var först tvungen att utforma ett experiment för att kalibrera effekten av kända strålningsnivåer på supraledande qubit -prestanda. Att göra detta, de behövde en känd radioaktiv källa - en som blev mindre radioaktiv långsamt nog för att bedöma effekten vid väsentligen konstanta strålningsnivåer, men ändå tillräckligt snabbt för att bedöma ett antal strålningsnivåer inom några veckor, ner till nivån av bakgrundsstrålning.

Gruppen valde att bestråla en folie av högren koppar. När de utsätts för ett stort flöde av neutroner, koppar producerar stora mängder koppar-64, en instabil isotop med exakt önskade egenskaper.

"Koppar absorberar bara neutroner som en svamp, "säger Formaggio, som arbetade med operatörer vid MIT:s kärnreaktorlaboratorium för att bestråla två små skivor koppar i flera minuter. De placerade sedan en av skivorna bredvid de superledande qubiterna i ett utspädningskylskåp i Olivers laboratorium på campus. Vid temperaturer cirka 200 gånger kallare än yttre rymden, de mätte effekten av kopparens radioaktivitet på qubits koherens medan radioaktiviteten minskade - ner mot miljöbakgrundsnivåer.

Radioaktiviteten för den andra skivan mättes vid rumstemperatur som en mätare för nivåerna som träffade qubit. Genom dessa mätningar och relaterade simuleringar laget förstod sambandet mellan strålningsnivåer och qubit -prestanda, en som kan användas för att utläsa effekten av naturligt förekommande miljöstrålning. Baserat på dessa mätningar, qubit -koherenstiden skulle vara begränsad till cirka 4 millisekunder.

"Inte spel över"

Teamet tog sedan bort den radioaktiva källan och fortsatte att visa att skyddet av qubiterna från miljöstrålningen förbättrar sammanhållningstiden. Att göra detta, forskarna byggde en 2-ton vägg av blystenar som kunde höjas och sänkas på en saxlyft, att antingen skydda eller utsätta kylskåpet för omgivande strålning.

"Vi byggde ett litet slott runt detta kylskåp, "Säger Oliver.

Var 10:e minut, och över flera veckor, studenter i Olivers laboratorium alternerade genom att trycka på en knapp för att antingen lyfta eller sänka väggen, som en detektor mätte qubits integritet, eller "avslappningshastighet, "ett mått på hur miljöstrålningen påverkar qubit, med och utan sköld. Genom att jämföra de två resultaten, de extraherade effektivt effekten som tillskrivs miljöstrålning, bekräftar förutsägelsen på 4 millisekunder och visar att skärmningen förbättrade qubit -prestanda.

"Kosmisk strålning är svår att bli av med, "Säger Formaggio." Det är mycket genomträngande, och går rakt igenom allt som en jetström. Om du går under jorden, som blir mindre och mindre. Det är förmodligen inte nödvändigt att bygga kvantdatorer djupt under jorden, som neutrino -experiment, men kanske kan djupa källaranläggningar förmodligen få qubits att fungera på förbättrade nivåer. "

Att gå under jorden är inte det enda alternativet, och Oliver har idéer för hur man kan designa kvantberäkningsenheter som fortfarande fungerar mot bakgrund av strålning.

"Om vi ​​vill bygga en industri, vi föredrar sannolikt att mildra effekterna av strålning över marken, "Säger Oliver." Vi kan tänka på att designa qubits på ett sätt som gör dem hårda, 'och mindre känslig för kvasipartiklar, eller utforma fällor för kvasipartiklar så att även om de ständigt genereras av strålning, de kan rinna bort från qubit. Så det är definitivt inte game-over, Det är bara nästa lager av löken vi måste ta itu med. "