Космические лучи могут дестабилизировать квантовые компьютеры

Квантовые компьютеры развиваются захватывающими темпами, но, к сожалению, вскоре этот прогресс может остановиться. Космические лучи, проникающие на Землю, могут нарушить целостность информации в квантовых компьютерах, и теперь команда ученых Массачусетского технологического института показала, насколько они уязвимы и что может потребоваться для их защиты.

В традиционных компьютерах информация представлена ​​в «битах» в виде нуля или единицы. Но благодаря правилам квантовой физики биты в квантовых компьютерах (называемые кубитами) могут существовать в суперпозиции обоих состояний одновременно.

Это означает, что они могут выполнять множество операций параллельно, что делает их намного более мощными, чем существующие компьютерные системы.

Но на пути создания практических квантовых компьютеров есть серьезное препятствие. Кубиты имеют довольно низкое время когерентности, которое относится к тому, как долго они могут оставаться в состоянии суперпозиции. Это происходит потому, что они чувствительны к внешним помехам, таким как тепло, магнитные и электрические поля, или даже к низкоуровневому излучению, которое постоянно нас окружает.

Некоторые из помех приходят из космоса. Космические лучи и каскад вторичных частиц, которые они создают, постоянно обрушиваются на нас, и, хотя мы лично можем их не замечать, они могут нанести ущерб электронике.

В новом исследовании ученые из Массачусетского технологического института, лаборатории Линкольна и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) количественно определили, насколько серьезной проблемой могут быть космические лучи для квантовых компьютеров.

В экспериментах исследователи поместили диски облученной меди рядом со сверхпроводящими кубитами, чтобы измерить воздействие излучения. Эксперименты проводились внутри специальной камеры, что сводило к минимуму другие помехи за счет охлаждения окружающей среды ниже температуры космического вакуума. Второй облученный медный диск был исследован вне камеры, чтобы измерить, сколько излучения получает квантовая система.

Используя эту установку и другие симуляции, команда обнаружила, что время когерентности кубита будет ограничено примерно четырьмя миллисекундами.

Дальнейшие эксперименты подтвердили эту цифру, с установленным или снятым радиационный экраном между медными дисками и кубитами. Щит действительно помог, но это не самое практичное решение — так как это была двухтонная стена из свинцовых кирпичей.

Эксперимент показывает, что для получения максимальной отдачи от квантовых компьютеров нам необходимо создать их с адекватной защитой. Это может означать перемещение их глубоко под землю, как в экспериментах по охоте на нейтрино, которые также нуждаются в защите от космических лучей. Но, возможно, это не единственное решение, говорят специалисты.

«Если мы хотим создать отрасль, мы, вероятно, предпочтем смягчить воздействие радиации над землей», — говорит Уильям Оливер, автор исследования. «Мы можем подумать о разработке кубитов таким образом, чтобы они были «радикально жесткими» и менее чувствительными к квазичастицам, или разработать ловушки для квазичастиц, чтобы, даже если они постоянно генерируются излучением, они могли улетать от кубитов. Так что это определенно не конец игры».

Исследование было опубликовано в журнале Nature.