De bruikbaarheid van kwantumcomputing hangt af van de integriteit van de kwantumbit, of qubit.

Qubits, de logische elementen van kwantumcomputers, zijn coherente systemen op twee niveaus die kwantuminformatie vertegenwoordigen. Elke qubit heeft het vreemde vermogen om in een kwantumsuperpositie te zijn, aspecten van beide staten tegelijk dragen, een kwantumversie van parallelle berekening mogelijk maken. Kwantumcomputers, als ze kunnen worden geschaald om veel qubits op één processor te verwerken, kan duizelingwekkend sneller zijn, en in staat om veel complexere problemen aan te pakken, dan de huidige conventionele computers.

Maar dat hangt allemaal af van de integriteit van een qubit, of hoe lang het kan werken voordat zijn superpositie en de kwantuminformatie verloren gaan - een proces dat decoherentie wordt genoemd, wat uiteindelijk de gebruiksduur van de computer beperkt. Supergeleidende qubits - tegenwoordig een toonaangevende qubit-modaliteit - hebben een exponentiële verbetering bereikt in deze belangrijke statistiek, van minder dan één nanoseconde in 1999 tot ongeveer 200 microseconden vandaag voor de best presterende apparaten.

Maar onderzoekers van MIT, MIT Lincoln-laboratorium, en Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hebben ontdekt dat de prestaties van een qubit binnenkort een muur zullen raken. In een paper gepubliceerd in Natuur , het team meldt dat de lage, verder onschadelijke achtergrondstraling die wordt uitgezonden door sporenelementen in betonnen muren en binnenkomende kosmische straling zijn voldoende om decoherentie in qubits te veroorzaken. Ze ontdekten dat dit effect, als het onomstotelijk wordt gelaten, beperkt de prestaties van qubits tot slechts enkele milliseconden.

Gezien de snelheid waarmee wetenschappers qubits hebben verbeterd, ze kunnen deze door straling veroorzaakte muur binnen een paar jaar raken. Om deze barrière te overwinnen, wetenschappers zullen manieren moeten vinden om qubits - en alle praktische kwantumcomputers - te beschermen tegen straling op laag niveau, misschien door de computers ondergronds te bouwen of qubits te ontwerpen die bestand zijn tegen de effecten van straling.

"Deze decoherentiemechanismen zijn als een ui, en we pellen al 20 jaar de lagen af, maar er is nog een laag die ons onverminderd zal beperken over een paar jaar, dat is omgevingsstraling, " zegt William Oliver, universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica en Lincoln Laboratory Fellow aan het MIT. "Dit is een spannend resultaat, omdat het ons motiveert om andere manieren te bedenken om qubits te ontwerpen om dit probleem te omzeilen."

De hoofdauteur van het artikel is Antti Vepsäläinen, een postdoc in MIT's Research Laboratory of Electronics.

"Het is fascinerend hoe gevoelig supergeleidende qubits zijn voor de zwakke straling. Het begrijpen van deze effecten in onze apparaten kan ook nuttig zijn bij andere toepassingen zoals supergeleidende sensoren die in de astronomie worden gebruikt, " zegt Vepsäläinen.

Co-auteurs bij MIT zijn onder meer Amir Karamlou, Akshunna Dogra, Francisca Vasconcelos, Simon Gustaafsson, en natuurkundeprofessor Joseph Formaggio, samen met David Kim, Alexander Melville, Bethany Niedzielski, en Jonilyn Yoder van het Lincoln Laboratory, en John Orrell, Ben Loer, en Brent VanDevender van PNNL.

Een kosmisch effect

Supergeleidende qubits zijn elektrische circuits gemaakt van supergeleidende materialen. Ze bevatten massa's gepaarde elektronen, bekend als Cooper-paren, die zonder weerstand door het circuit stromen en samenwerken om de ijle superpositie van de qubit te behouden. Als het circuit wordt verwarmd of anderszins wordt onderbroken, elektronenparen kunnen worden opgesplitst in "quasideeltjes, " veroorzaakt decoherentie in de qubit die de werking ervan beperkt.

Er zijn veel bronnen van decoherentie die een qubit kunnen destabiliseren, zoals fluctuerende magnetische en elektrische velden, thermische energie, en zelfs interferentie tussen qubits.

Wetenschappers vermoeden al lang dat zeer lage stralingsniveaus een vergelijkbaar destabiliserend effect kunnen hebben in qubits.

"Ik heb de afgelopen vijf jaar de kwaliteit van supergeleidende qubits is veel beter geworden, en nu zijn we binnen een factor 10 van waar de effecten van straling er toe gaan doen, " voegt Kim toe, een technisch personeelslid bij MIT Lincoln Laboratotry.

Dus Oliver en Formaggio werkten samen om te zien hoe ze het effect van lage omgevingsstraling op qubits zouden kunnen vaststellen. Als neutrinofysicus Formaggio heeft expertise in het ontwerpen van experimenten die beschermen tegen de kleinste stralingsbronnen, om neutrino's en andere moeilijk te detecteren deeltjes te kunnen zien.

"Kalibratie is de sleutel"

Het team, werken met medewerkers van Lincoln Laboratory en PNNL, moest eerst een experiment ontwerpen om de impact van bekende stralingsniveaus op de prestaties van supergeleidende qubits te kalibreren. Om dit te doen, ze hadden een bekende radioactieve bron nodig - een die langzaam genoeg minder radioactief werd om de impact bij in wezen constante stralingsniveaus te beoordelen, maar toch snel genoeg om binnen een paar weken een reeks stralingsniveaus te beoordelen, tot het niveau van de achtergrondstraling.

De groep koos ervoor om een ​​folie van zeer zuiver koper te bestralen. Bij blootstelling aan een hoge flux van neutronen, koper produceert grote hoeveelheden koper-64, een onstabiele isotoop met precies de gewenste eigenschappen.

"Koper absorbeert neutronen als een spons, " zegt Formaggio, die samenwerkte met operators van het Nuclear Reactor Laboratory van MIT om twee kleine schijven koper enkele minuten te bestralen. Vervolgens plaatsten ze een van de schijven naast de supergeleidende qubits in een verdunningskoelkast in Olivers lab op de campus. Bij temperaturen die ongeveer 200 keer kouder zijn dan de ruimte, ze maten de impact van de radioactiviteit van het koper op de coherentie van de qubits, terwijl de radioactiviteit afnam - naar achtergrondniveaus in de omgeving.

De radioactiviteit van de tweede schijf werd gemeten bij kamertemperatuur als een maat voor de niveaus die de qubit bereikten. Door deze metingen en gerelateerde simulaties, het team begreep de relatie tussen stralingsniveaus en qubit-prestaties, een die kan worden gebruikt om het effect van natuurlijk voorkomende omgevingsstraling af te leiden. Op basis van deze metingen, de qubit coherentietijd zou worden beperkt tot ongeveer 4 milliseconden.

"Niet game-over"

Het team verwijderde vervolgens de radioactieve bron en toonde aan dat het afschermen van de qubits tegen de omgevingsstraling de coherentietijd verbetert. Om dit te doen, de onderzoekers bouwden een muur van loden stenen van 2 ton die met een schaarlift omhoog en omlaag kon worden gebracht, om de koelkast af te schermen of bloot te stellen aan omringende straling.

"We bouwden een kasteeltje rond deze koelkast, ' zegt Olivier.

Elke 10 minuten, en gedurende een aantal weken, studenten in het lab van Oliver drukten afwisselend op een knop om de muur op te tillen of te laten zakken, als een detector de integriteit van de qubits heeft gemeten, of "ontspanningspercentage, " een maat voor hoe de omgevingsstraling de qubit beïnvloedt, met en zonder schild. Door de twee resultaten te vergelijken, ze hebben effectief de impact geëxtraheerd die wordt toegeschreven aan omgevingsstraling, de voorspelling van 4 milliseconden bevestigen en aantonen dat afscherming de qubit-prestaties verbeterde.

"Kosmische straling is moeilijk te verwijderen, " zegt Formaggio. "Het is heel indringend, en gaat dwars door alles heen als een jetstream. Als je ondergronds gaat, dat wordt steeds minder. Het is waarschijnlijk niet nodig om kwantumcomputers diep onder de grond te bouwen, zoals neutrino-experimenten, maar misschien kunnen diepe kelderfaciliteiten er waarschijnlijk voor zorgen dat qubits op een beter niveau werken."

Ondergronds gaan is niet de enige optie, en Oliver heeft ideeën voor het ontwerpen van kwantumcomputers die nog steeds werken in het licht van achtergrondstraling.

"Als we een industrie willen bouwen, we zouden waarschijnlijk liever de effecten van straling boven de grond verminderen, Oliver zegt. "We kunnen nadenken over het ontwerpen van qubits op een manier die ze 'rad-hard, ' en minder gevoelig voor quasideeltjes, of ontwerp vallen voor quasideeltjes zodat zelfs als ze constant worden gegenereerd door straling, ze kunnen wegvloeien van de qubit. Het is dus zeker niet game-over, het is gewoon de volgende laag van de ui die we moeten aanpakken."