本文经AI新媒体量子比特（公众号ID：QbitAI）授权转载，转载请联系出处。谷歌去年提出的“量子优势”在业界引起了不小的轰动。毕竟，200秒的量子计算相当于地球上最强大的超级计算机运行100年。看起来前途一片光明。然而，麻省理工学院最近的一项研究给量子计算的发展泼了“冷水”：宇宙射线发出的低强度无害背景辐射足以导致量子比特退相干。要知道，这种“背景辐射”可以说是一种充满整个宇宙的电磁辐射。此外，该研究还发表在最近的《自然》杂志上。为什么量子计算如此“脆弱”？量子比特(qubits)的完整性是一个关键问题。量子比特是量子计算中的逻辑元素。每个量子比特都有一个“神奇的能力”，即可以处于“量子叠加态”。这种能力允许量子位同时存在于两种状态，从而实现并行计算的量子版本。因此，如果一台量子计算机能够扩展到在一个处理器上容纳很多量子比特，那么它的速度将比现在的传统计算机快很多，也可以解决更复杂的问题。但这一切都取决于量子比特的完整性。换句话说，这取决于它在叠加和量子信息丢失之前可以工作多长时间。这个过程称为退相干，最终限制了量子计算机的运行时间。但最近，麻省理工学院和太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究人员发现，混凝土墙中的微量元素，以及宇宙射线发出的低水平、无害的辐射，足以导致这种“退相干”现象的发生。他们首先设计了一个实验来“校准已知辐射水平对超导量子比特的影响”。为此，他们需要一个已知的放射源，其活动既“慢”又“快”。慢，意思是慢到足以评估基本恒定辐射水平下的影响；速度快到足以在几周内评估一系列辐射水平，一直到背景辐射水平。该团队选择了一种高纯度铜箔，当它暴露于高通量中子时，会产生大量64Cu（铜64），这是一种具有理想特性的不稳定同位素。他们准备了两块这样的铜片，对它们进行了几分钟的辐照，将一块放在超导量子比特旁边，然后将它们一起放入稀释冰箱中。冰箱的温度约为负200度，随着64Cu活性降至正常环境水平，研究人员测量了辐射对量子位退相干的影响。作为对比，在室温下对第二块铜板进行了实验，在这种情况下还测量了辐射和量子比特退相干之间的影响。他们发现，如果任其发展，会将量子位的性能限制在几毫秒内（目前良好的性能可以达到200微秒）。对此，麻省理工学院电气工程与计算机科学副教授威廉·奥利弗表示：这些退相干机制就像洋葱。在过去的20年里，我们一层层剥开它。但是现在还有一层，如果不加以限制，几年之内就会限制我们的发展，就是环境辐射。这是一个令人兴奋的发现，它可以引导我们想出其他方法来设计绕过这个问题的量子比特。墙不能挡此外，研究人员移除了放射源，并进一步证明将量子比特屏蔽在环境辐射中可改善相干时间。为此，研究人员建造了一堵2吨重的可升降铅砖墙。在实验室里，学生们每10分钟按下一个按钮来升高或降低墙壁，持续数周。这样做的目的是在“有屏蔽”和“无屏蔽”两种情况下辐射对量子比特的影响。相反，事实证明屏蔽辐射可以改善量子比特的特性。但与此同时，研究人员也表示：宇宙辐射的穿透力极强，难以消除。犹如高速气流一般，切穿一切。怎么破？不过，我们也不要对量子计算机过于悲观。研究人员给出了解决方案：不需要建造像中微子实验室那么深的量子计算机，而且大部分辐射粒子很容易被阻挡。允许量子比特在更高层次上运行的深层地下设施。但进入地下并不是唯一的选择，研究人员就如何设计在背景辐射下仍能工作的量子计算设备提出了自己的看法：如果我们要建立一个产业，我们可能更倾向于减轻辐射的影响在地上。我们可以考虑设计量子比特，使其不易受辐射影响，或对粒子不那么敏感。作者简介△AnttiVeps?l?inenAntti获得博士学位。2018年获得阿尔托大学物理学博士学位。当时主要研究超导电路中量子态的绝热控制，研究用于磁场超灵敏测量的简单量子算法。目前是麻省理工学院电子研究实验室的博士后研究员，继续从事超导量子位的研究。△AmirKaramlouAmirKaramlou2018年毕业于麻省理工学院，获得物理与电气工程与计算机科学学士学位，以及电气工程与计算机科学硕士学位。
