Tin tức Vũ trụ TV

Việc xây dựng các máy tính lượng tử dưới lòng đất hoặc thiết kế các qubit chống bức xạ có thể là cần thiết

Ngày:
Aug 27, 2020
Tóm lược:

Mức độ bức xạ thấp nhất định, chẳng hạn như từ các tia vũ trụ tới, có thể sớm cản trở sự tiến bộ trong tính toán lượng tử.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Một nghiên cứu của MIT báo cáo rằng các tia vũ trụ tới có thể hạn chế hiệu suất của qubit, cản trở sự tiến bộ trong tính toán lượng tử.
Tín dụng:Hình ảnh: Christine Daniloff, MIT
Một nghiên cứu của MIT báo cáo rằng các tia vũ trụ tới có thể hạn chế hiệu suất của qubit, cản trở sự tiến bộ trong tính toán lượng tử.
Tín dụng:Hình ảnh: Christine Daniloff, MIT

Tính thực tiễn của điện toán lượng tử phụ thuộc vào tính toàn vẹn của bit lượng tử, hay qubit.

Qubit, các phần tử logic của máy tính lượng tử, là hệ thống hai cấp thống nhất biểu thị thông tin lượng tử. Mỗi qubit có khả năng kỳ lạ là ở trong một chồng chất lượng tử, mang các khía cạnh của cả hai trạng thái đồng thời, cho phép một phiên bản lượng tử của tính toán song song. Máy tính lượng tử, nếu chúng có thể được thu nhỏ để chứa nhiều qubit trên một bộ xử lý, có thể nhanh hơn chóng mặt và có thể xử lý các vấn đề phức tạp hơn nhiều so với các máy tính thông thường hiện nay.

Nhưng tất cả phụ thuộc vào tính toàn vẹn của qubit, hoặc nó có thể hoạt động trong bao lâu trước khi chất chồng lên nhau và thông tin lượng tử bị mất – một quá trình được gọi là decoherence, cuối cùng giới hạn thời gian chạy của máy tính. Qubit siêu dẫn – một phương thức qubit hàng đầu hiện nay – đã đạt được sự cải thiện theo cấp số nhân trong chỉ số quan trọng này, từ dưới một nano giây vào năm 1999 lên khoảng 200 micro giây ngày nay cho các thiết bị hoạt động tốt nhất.

Nhưng các nhà nghiên cứu tại MIT, Phòng thí nghiệm MIT Lincoln và Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) đã phát hiện ra rằng hiệu suất của một qubit sẽ sớm va vào một bức tường. Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature , nhóm nghiên cứu báo cáo rằng bức xạ phông nền mức độ thấp, vô hại được phát ra bởi các nguyên tố vi lượng trong các bức tường bê tông và các tia vũ trụ tới đủ để gây ra sự tách rời trong các qubit. Họ phát hiện ra rằng hiệu ứng này, nếu không được điều chỉnh, sẽ giới hạn hiệu suất của qubit xuống chỉ còn vài mili giây.

Với tốc độ mà các nhà khoa học đang cải thiện qubit, họ có thể chạm vào bức tường gây ra bức xạ này chỉ trong vài năm nữa. Để vượt qua rào cản này, các nhà khoa học sẽ phải tìm cách che chắn các qubit – và bất kỳ máy tính lượng tử thực tế nào – khỏi bức xạ mức thấp, có thể bằng cách xây dựng các máy tính dưới lòng đất hoặc thiết kế các qubit chịu được tác động của bức xạ.

William Oliver nói: “Những cơ chế phân rã này giống như một củ hành, và chúng tôi đã bóc tách các lớp trong 20 năm qua, nhưng có một lớp khác không suy giảm sẽ hạn chế chúng ta trong vài năm nữa, đó là bức xạ môi trường. phó giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính và thành viên Phòng thí nghiệm Lincoln tại MIT. “Đây là một kết quả thú vị, bởi vì nó thúc đẩy chúng tôi nghĩ ra những cách khác để thiết kế qubit để giải quyết vấn đề này.”

Tác giả chính của bài báo là Antti Vepsäläinen, một postdoc trong Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Điện tử của MIT.

Vepsäläinen cho biết: “Thật là hấp dẫn khi các qubit siêu dẫn nhạy cảm với bức xạ yếu. Hiểu được những hiệu ứng này trong các thiết bị của chúng tôi cũng có thể hữu ích trong các ứng dụng khác như cảm biến siêu dẫn được sử dụng trong thiên văn học”.

Các đồng tác giả tại MIT bao gồm Amir Karamlou, Akshunna Dogra, Francisca Vasconcelos, Simon Gustavsson, và giáo sư vật lý Joseph Formaggio, cùng với David Kim, Alexander Melville, Bethany Niedzielski và Jonilyn Yoder tại Phòng thí nghiệm Lincoln, và John Orrell, Ben Loer, và Brent VanDevender của PNNL.

Một hiệu ứng vũ trụ

Qubit siêu dẫn là mạch điện được làm từ vật liệu siêu dẫn. Chúng bao gồm nhiều cặp electron, được gọi là cặp Cooper, chảy qua mạch mà không có điện trở và hoạt động cùng nhau để duy trì trạng thái chồng chất bền vững của qubit. Nếu mạch bị nóng lên hoặc bị gián đoạn, các cặp electron có thể tách ra thành “quasiparticles”, gây ra sự phân rã trong qubit làm hạn chế hoạt động của nó.

Có rất nhiều nguồn gây mất kết hợp có thể làm mất ổn định một qubit, chẳng hạn như dao động từ trường và điện trường, năng lượng nhiệt, và thậm chí là sự giao thoa giữa các qubit.

Từ lâu, các nhà khoa học đã nghi ngờ rằng mức độ bức xạ rất thấp có thể gây ra hiệu ứng gây mất ổn định tương tự trong qubit.

Kim, một nhân viên kỹ thuật tại MIT Lincoln Laboratotry cho biết: “Tôi trong 5 năm qua, chất lượng của các qubit siêu dẫn đã trở nên tốt hơn nhiều, và giờ chúng ta đang ở trong hệ số 10 của mức độ ảnh hưởng của bức xạ sẽ quan trọng”.

Vì vậy, Oliver và Formaggio đã hợp tác để xem cách họ có thể giảm thiểu ảnh hưởng của bức xạ môi trường mức độ thấp lên qubit. Là một nhà vật lý neutrino, Formaggio có chuyên môn trong việc thiết kế các thí nghiệm che chắn chống lại các nguồn bức xạ nhỏ nhất, để có thể nhìn thấy neutrino và các hạt khó phát hiện khác.

“Hiệu chuẩn là chìa khóa”

Nhóm làm việc với các cộng tác viên tại Phòng thí nghiệm Lincoln và PNNL, lần đầu tiên phải thiết kế một thí nghiệm để hiệu chỉnh tác động của các mức bức xạ đã biết lên hiệu suất qubit siêu dẫn. Để làm được điều này, họ cần một nguồn phóng xạ đã biết – một nguồn trở nên ít phóng xạ hơn, đủ chậm để đánh giá tác động ở mức bức xạ không đổi về cơ bản, nhưng đủ nhanh để đánh giá một loạt mức bức xạ trong vòng vài tuần, xuống mức nền sự bức xạ.

Nhóm đã chọn chiếu xạ một lá đồng có độ tinh khiết cao. Khi tiếp xúc với một lượng neutron cao, đồng tạo ra một lượng lớn đồng-64, một đồng vị không ổn định với chính xác các đặc tính mong muốn.

“Đồng chỉ hấp thụ neutron giống như một miếng bọt biển”, Formaggio, người đã làm việc với các nhà điều hành tại Phòng thí nghiệm lò phản ứng hạt nhân của MIT để chiếu xạ hai đĩa đồng nhỏ trong vài phút. Sau đó, họ đặt một trong các đĩa bên cạnh qubit siêu dẫn trong tủ lạnh pha loãng trong phòng thí nghiệm của Oliver trong khuôn viên trường. Ở nhiệt độ lạnh hơn khoảng 200 lần so với không gian bên ngoài, họ đo được tác động của tính phóng xạ của đồng đối với tính kết dính của các qubit trong khi độ phóng xạ giảm – xuống mức nền môi trường.

Hoạt độ phóng xạ của đĩa thứ hai được đo ở nhiệt độ phòng như một thước đo cho các mức chạm vào qubit. Thông qua các phép đo này và các mô phỏng liên quan, nhóm đã hiểu được mối quan hệ giữa mức bức xạ và hiệu suất qubit, một yếu tố có thể được sử dụng để suy ra ảnh hưởng của bức xạ môi trường xuất hiện tự nhiên. Dựa trên các phép đo này, thời gian kết hợp qubit sẽ được giới hạn trong khoảng 4 mili giây.

“Trò chơi không kết thúc”

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã loại bỏ nguồn phóng xạ và tiến hành chứng minh rằng việc che chắn các qubit khỏi bức xạ môi trường giúp cải thiện thời gian gắn kết. Để làm được điều này, các nhà nghiên cứu đã xây một bức tường nặng 2 tấn bằng gạch chì có thể nâng lên hạ xuống bằng thang máy cắt kéo, để che chắn hoặc để tủ lạnh tiếp xúc với bức xạ xung quanh.

Oliver nói: “Chúng tôi đã xây một lâu đài nhỏ xung quanh chiếc tủ lạnh này.

Cứ sau 10 phút, và trong vài tuần, các sinh viên trong phòng thí nghiệm của Oliver luân phiên nhấn một nút để nâng hoặc hạ bức tường, vì một máy dò đo tính toàn vẹn của qubit, hoặc “tốc độ thư giãn”, một phép đo bức xạ môi trường tác động đến qubit. , có và không có tấm chắn. Bằng cách so sánh hai kết quả, họ đã trích xuất hiệu quả tác động do bức xạ môi trường gây ra, xác nhận dự đoán 4 mili giây và chứng minh rằng việc che chắn cải thiện hiệu suất qubit.

“Bức xạ tia vũ trụ rất khó bị loại bỏ,” Formaggio nói. “Nó rất xuyên thấu và đi xuyên qua mọi thứ như một luồng phản lực. Nếu bạn đi dưới lòng đất, điều đó ngày càng ít đi. Có lẽ không cần thiết phải xây dựng các máy tính lượng tử sâu dưới lòng đất, như thí nghiệm neutrino, nhưng có thể các cơ sở dưới tầng hầm sâu có thể có qubit hoạt động ở mức độ được cải thiện. “

Đi xuống lòng đất không phải là lựa chọn duy nhất và Oliver có ý tưởng về cách thiết kế các thiết bị tính toán lượng tử vẫn hoạt động khi đối mặt với bức xạ nền.

Nếu chúng ta muốn xây dựng một ngành công nghiệp, chúng ta có thể muốn giảm thiểu tác động của bức xạ trên mặt đất. Chúng ta có thể nghĩ đến việc thiết kế các qubit theo cách làm cho chúng ‘cứng rad’ và ít nhạy cảm hơn với các qubit, hoặc thiết kế các bẫy cho các qubit để ngay cả khi chúng liên tục được tạo ra bởi bức xạ, chúng vẫn có thể chảy ra khỏi qubit . Vì vậy, nó chắc chắn không phải là trò chơi kết thúc, nó chỉ là lớp tiếp theo của hành tây mà chúng ta cần giải quyết.

Nghiên cứu này được tài trợ một phần bởi Văn phòng Vật lý Hạt nhân của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Văn phòng Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ, Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ và Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.


Nguồn truyện:

Vật liệu do Viện Công nghệ Massachusetts cung cấp . Bản gốc do Jennifer Chu viết. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.


Tham khảo Tạp chí :

  1. Antti P. Vepsäläinen, Amir H. Karamlou, John L. Orrell, Akshunna S. Dogra, Ben Loer, Francisca Vasconcelos, David K. Kim, Alexander J. Melville, Bethany M. Niedzielski, Jonilyn L. Yoder, Simon Gustavsson, Joseph A. Formaggio, Brent A. VanDevender, William D. Oliver. Tác động của bức xạ ion hóa đến sự kết dính qubit siêu dẫn . Tự nhiên , năm 2020; 584 (7822): 551 DOI: 10.1038 / s41586-020-2619-8

Bài viết liên quan

Bài viết mới