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量子計算的實用價(jia) 值取決(jue) 於(yu) 量子比特（qubit）的完整性。

量子比特是量子計算機的邏輯元素，代表著量子信息的兩(liang) 能級相幹係統。處在量子疊加態的每一個(ge) 量子比特擁有奇異的能力，可同時攜帶兩(liang) 種狀態，實現量子版本的並行計算。如果可以擴展量子計算機，在一個(ge) 處理器上容納大量量子比特，那麽(me) 與(yu) 當今的常規計算機相比，它們(men) 的速度會(hui) 快許多，也能處理更加複雜的問題。

但以上這一切都取決(jue) 於(yu) 量子比特的完整性，也就是說在量子比特的疊加態和量子信息丟(diu) 失之前，它能夠運行多久。這種過程稱為(wei) 退相幹，最終會(hui) 限製計算機的運行時間。超導量子比特是當今主要的量子比特模態，已經在完整性這一關(guan) 鍵指標上取得了指數級的提升，1999年時它的持續運行時間還不到一納秒，如今性能最好的設備已經達到了約200微秒。

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然而，麻省理工學院林肯實驗室（MIT Lincoln Laboratory）和太平洋西北國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory，簡稱PNNL）的研究人員卻發現，量子比特性能很快就會(hui) 遇到一個(ge) 壁壘。在一篇發表在《自然》（Nature）的論文中，研究團隊報告說，混凝土牆體(ti) 中微量元素釋放的低水平但無害的背景輻射，以及進入地球的宇宙射線，兩(liang) 者足以引發量子比特的退相幹。他們(men) 還發現，如果置之不理，這一現象將會(hui) 將量子比特的性能限製在僅(jin) 僅(jin) 數毫秒。

鑒於(yu) 科學家們(men) 改進量子比特的速度，幾年之後他們(men) 可能就會(hui) 遇到輻射造成的瓶頸。為(wei) 了攻克這一障礙，科學家未來必須找出保護量子比特以及任何實用的量子計算機的方法，使其免於(yu) 低水平輻射的幹擾，比如他們(men) 或許可以在地下建造計算機，或者設計出能夠抵擋輻射影響的量子比特。

“這些退相幹機製就像一隻洋蔥，在過去的20年內(nei) ，我們(men) 將它層層剝開，但幾年之後我們(men) 就會(hui) 遇到一層限製，那就是環境輻射。”MIT的電子工程和計算機科學教授、林肯實驗室成員William Oliver說，“這結果令人興(xing) 奮，因為(wei) 會(hui) 激勵我們(men) 想出其他方式來設計量子比特，繞過這個(ge) 問題。”

該論文的主要作者、MIT電子研究實驗室的博士後Antti Vepsäläinen說：“超導量子比特對於(yu) 弱輻射有多敏感，這個(ge) 問題令人著迷。理解設備中的這些影響，也會(hui) 有助於(yu) 理解其他方麵的應用，比如天文學用到的超導傳(chuan) 感器。”

輻射效應

超導量子比特是由超導材料製成的電路，它們(men) 包含許多成對電子，也就是庫珀對（Cooper pairs）。這些電子對在電路中流動，沒有電阻，共同維持量子比特脆弱的疊加態。如果電路受熱或者遭到幹擾，電子對會(hui) 分裂成“準粒子”，引發量子比特的退相幹，限製其運行。

讓量子比特不穩定的退相幹源有許多，例如波動的磁場和電場、熱能，甚至是量子比特之間的幹擾。長久以來，科學家一直懷疑極低水平的輻射可能也會(hui) 對量子比特產(chan) 生類似的影響，破壞其穩定性。

“在過去的五年內(nei) ，超導量子比特的質量已經大幅提升，現在，我們(men) 有不到十分之一的概率碰上輻射影響。”Kim補充說。他是林肯實驗室的技術人員。

所以，Oliver和Formagio聯手調查如何確定低水平環境輻射對量子比特的影響。作為(wei) 一名中微子物理學家，Formaggio掌握著設計實驗的專(zhuan) 業(ye) 星空体育官网入口网站，可屏蔽最小的輻射源，從(cong) 而能夠看清中微子和其他難以探測的粒子。

“校準是關(guan) 鍵”

兩(liang) 人和林肯實驗室以及PNNL的研究人員合作，首先他們(men) 要設計實驗，以校準已知輻射水平對超導量子比特性能的影響。為(wei) 此，他們(men) 需要一個(ge) 已知的輻射源，其輻射水平降低的速度要足夠慢，以便讓研究人員在基本恒定的輻射水平處評估影響；同時這個(ge) 速度又要足夠快，才能讓他們(men) 在幾周內(nei) 評估從(cong) 初始強度到背景輻射的一係列輻射水平。

團隊選擇對高純度銅箔片進行輻照。當暴露在高通量中微子流中時，銅會(hui) 產(chan) 生大量的同位素銅-64，這是一種不穩定同位素，其特性完全符合他們(men) 的需求。

Formaggio說：“銅就像海綿一樣，不停吸收中微子。”他與(yu) MIT核反應實驗室的操作員一起，花幾分鍾的時間輻射兩(liang) 小盤圓形銅片。接下來，他們(men) 將一個(ge) 銅片放在超導量子比特旁邊，這兩(liang) 樣東(dong) 西都放置於(yu) Oliver學校實驗室的稀釋製冷機中。製冷機裏麵的溫度隻有外太空溫度的二百分之一，隨著銅的放射性逐漸降低至環境背景水平，他們(men) 在不同的放射性下測量其對量子比特相幹性的影響。

而第二張銅片則在室溫下測量，作為(wei) 自然環境下輻射水平影響量子比特的標準參照。通過這些測量和相關(guan) 模擬，團隊明白了輻射水平和量子比特性能之間的關(guan) 係，由此可推導出自然環境中輻射的影響。基於(yu) 以上測量，量子比特相幹時間將會(hui) 被限製到約4毫秒。

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“遊戲還沒結束”

接下來，團隊移除了輻射源，著手證明屏蔽掉環境輻射的影響能夠提高量子比特的相幹時間。為(wei) 此，研究人員用鉛塊建造一堵兩(liang) 噸重的牆，放在剪叉式升降機上，通過升降控製製冷機是否受到環境輻射的影響。

“我們(men) 給這台製冷機四周砌了一座小型堡壘。”Oliver說道。

在接下來的幾周內(nei) ，每隔10分鍾，Oliver實驗室的學生們(men) 輪流按下按鈕，讓鉛牆升起或落下，同時有一台檢測器會(hui) 測量量子比特的完整性，或者說弛豫速率，他們(men) 以這種方式評估測量在有或無屏障的情況下，環境輻射是否影響量子比特。通過比較兩(liang) 組結果，他們(men) 有效地總結出環境輻射產(chan) 生的影響，確認了4毫秒的預測，證明了屏蔽可改善量子比特性能。

“宇宙射線很難擺脫。”Formaggio說，“它具有非常強大的穿透力，可以像噴流一樣穿過任何事物。如果你往地下走，那麽(me) 受到的射線會(hui) 越來越少。可能不一定非要在地底深處建造量子計算機，就像中微子實驗那樣，但深層地下設施可提高量子比特的運行水平。”

進入地下不是唯一選項，Oliver已經有思路，想要設計出麵對背景輻射也能正常運行的量子計算設備。

“如果我們(men) 想要建立一套產(chan) 業(ye) ，我們(men) 更傾(qing) 向於(yu) 在地麵上減少輻射的影響。”Oliver說，“我們(men) 可以考慮設計出能夠‘抗輻射’的量子比特，並且對準粒子不那麽(me) 敏感，也可以設計準粒子捕獲阱，這樣即便輻射不斷產(chan) 生準粒子，它們(men) 會(hui) 立刻從(cong) 量子比特中流出去。所以，這絕對不是結局，我們(men) 需要做的就是揭開洋蔥的下一層。”

作者：Jennifer Chu

翻譯：阿金

審校：戚譯引

引進來源：MIT News Office

引進鏈接：https://eurekalert.org/pub_releases/2020-08/miot-crm082420.php