量子電腦遇到瓶頸?MIT 實驗發現,「宇宙射線」會影響量子運算的性能

量子運算是新型態的運算技術,速度比傳統的二進位制位元運算快上數億倍。然而量子位元的量子態很不穩定,很容易受到溫度、電場變化的干擾,造成量子去相干(decoherence),影響量子運算的性能。

此外,近期 MIT 的科學家發現,「輻射」也會影響量子態,不需要強到核電廠的等級,僅是照射到地表的宇宙射線就會干擾量子運算。輻射會是量子發展的瓶頸嗎?研究團隊將研究發表到《Nature》期刊,討論輻射對量子運算的影響。

研究論文 傳送門

量子態容易受到干擾,影響量子運算

量子運算的可行性,取決於量子位元的穩定性。以超導量子位元為例,它產生於超導材料,由名為庫柏對(Cooper pairs)的電子對組成,但如果系統被干擾,電子對就會被破壞,形成準粒子(quasiparticle),讓量子位元去相干,量子態被破壞。

量子態並不穩定,磁場、電場、溫度的波動,以及量子位元間的交互作用都會造成量子去相干,破壞量子態。而科學家長久以來懷疑,輻射是否也會造成量子去相干。

MIT 實驗證實,輻射會影響量子位元

近期,MIT 林肯實驗室與西北太平洋國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory)聯合實驗,打造設備阻絕輻射,觀察量子態的變化。

但實驗前,研究團隊需要設計一套機制,校準已知輻射對量子位元的影響。研究團隊需要一種輻射強度已知的輻射源。他們使用高純度的銅,將銅暴露在高強度中子的照射下,產生同位素銅 64。銅 64 的輻射強度能在數週的時間內衰退到背景輻射的強度,讓研究團隊研究不同強度的輻射對量子位元的影響。

研究團隊準備兩個銅盤,用中子讓它們成為銅 64。接著將其中一個銅盤置於超導位元旁邊,紀錄輻射對量子態的影響;並將另一個銅盤於室溫下,作為輻射強度的標準。

藉由測量,研究團隊得知輻射與量子位元的關係,並推論環境輻射造成的影響。根據測量,量子相干時間被輻射線縮在 4 毫秒的長度。

接著,研究團隊移除輻射物質,並建造重達 2 噸的「鉛磚」牆,抵擋環境輻射。研究團隊量測在有牆與無牆的狀況下,量子位元的狀況。實驗證實,輻射會影響量子位元,讓相干時間限縮在 4 毫秒,並證明在有防護的狀況下,量子位元的效能可提升。

解決方式:將設備建在地底,或建立不受輻射影響的量子位元

量子運算技術發展數十年,量子態維持時間從 1990 年代的奈秒,延長到現今的微秒等級,然而輻射會讓量子態遇到無法突破的天花板嗎?

參與研究的教授 Joseph Formaggio 表示,宇宙射線的穿透力很強,基本上很難擺脫,但可以透過將設備建在地底的方式,降底宇宙射線的影響,提升量子位元的性能。

但地底不是唯一的選擇。參與實驗的副教授 William Oliver 認為能透過其他機制減緩輻射的影響,例如設計不受輻射影響的量子位元,建立對準粒子敏感度低的量子位元,或者是建立準粒子的陷阱,讓它們離開量子系統,不干擾量子位元的運作。

因此,量子運算仍然有發展的可能性。Oliver 形容,量子去相干的機制很像洋蔥,過去 20 年來,科學家一直在研究它的機制,雖然近期發現輻射對量子態的影響,但「這絕對不是 Game Over」,這只是另外一層人類要處理的「洋蔥」罷了!

參考資料

Nature》、《MIT News

(本文提供合作夥伴轉載;首圖來源:PXhere CC Licensed

延伸閱讀

透過外加「磁場」,科學家將量子態時間延長了 1 萬倍!
將量子運算結合機器學習,Google 開源 TensorFlow Quantum 訓練框架
開發「離子阱」技術,工業巨頭 Honeywell 將推出全球最強的量子電腦


《TO》品牌活動「CONNECT」深度專題重磅更新! 

本周主打「精準醫療」專題,看企業、醫院如何導入科技,開創嶄新的醫療服務,找出台灣下波隱形機會! 馬上報名 獲取最新深度報導。

點關鍵字看更多相關文章: