谷歌证实宇宙射线会导致超导量子比特出现无法纠正的错误

光子盒研究院出品

2021年6月，威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员在《自然》[1]发表的一篇论文中推测，宇宙射线可能是导致超导量子比特出错的原因之一。现在，谷歌最新发表在《自然》[2]的一篇论文显示，宇宙射线确实会导致超导量子比特出错。

今年7月，当研究人员在谷歌的量子处理器上测试纠错时[3]，他们注意到了一个奇怪的现象，即整个纠错方案偶尔会严重失败。他们将此归结为背景辐射，即宇宙射线和自然发生的放射性同位素偶然衰变的组合。

当时有评论称，谷歌不小心支付了一台极其昂贵的宇宙射线探测器的费用。但是处理器背后的研究人员非常认真地对待这个问题，并在新论文中详细介绍了辐射如何影响量子比特。他们的结论是，宇宙射线引起的问题经常发生，足以阻止纠错的量子计算工作，除非我们找到一种方法来限制射线的影响。

谷歌“悬铃木”量子处理器

宇宙射线和放射性也会给经典计算硬件带来问题。这是因为经典计算机依赖于移动和存储电荷，而宇宙射线在撞击物质时可以诱导电荷。

相比之下，量子比特以物体的量子态形式存储信息——在谷歌处理器的情况下，是连接到谐振器的超导线圈。宇宙射线也会影响它们，但机制完全不同。

宇宙射线的撞击也会产生振动能量，这种能量以所谓的声子的形式出现。这些声子也可以组合在一起形成准粒子，其中声子的小集合聚集在一起，并开始表现得像具有不同性质的单个粒子。

正是这些准粒子造成了严重破坏，因为它们可以与量子计算硬件交换能量。这包括构成超导基础的库珀电子对(另一种准粒子)，或者量子比特本身，改变它的状态并破坏任何纠缠。

如果这些声子只影响单个量子比特，那么这种情况就不会成为问题——事实上，这正是量子纠错要处理的事情。量子纠错包括在多个纠缠量子比特之间分配量子信息，允许硬件识别其中一个量子比特何时行为异常。

问题是准粒子最终不会只影响局部；相反，它们会分散在它们的起源位置周围，并最终影响多个量子比特。这应该足以干扰纠错。所以，一些在早期论文中实现纠错的人和一些物理学家聚在一起，看看这是否真的发生在量子处理硬件中。

宇宙射线概念图

为了了解发生了什么，谷歌团队在其处理器上选择了26个最不容易出错的量子比特，并将它们全部设置一个量子态。然后，研究人员可以让处理器闲置一小段时间，看看量子比特是否仍处于这种状态。

宇宙射线撞击很容易识别。在让处理器闲置100微秒后，典型的背景错误率约为26个量子比特中的4个。当宇宙射线碰巧撞击时，大约24个量子比特最终处于错误状态——尽管每个量子比特与它的相邻的量子比特相距约一毫米。

为了证实这是由于准粒子，研究人员寻找了一种状态依赖性。预计准粒子会迅速失去能量，因此无法转移足够的能量以将量子比特从基态提升到激发态。但它们仍然可以从量子比特吸收能量，允许处于激发态的量子比特回落到基态。

因此，如果准粒子在调节这些相互作用，那么当所有量子比特都从激发态开始时，你会预期比它们都以基态开始时出现更多的错误。这正是研究团队所看到的。

由于量子处理器可以非常快速地对量子比特的状态进行采样，因此该团队甚至可以跟踪处理器中错误传播的情况。最初，错误主要局限于距离宇宙射线撞击最近的量子比特。但是，即使这里的错误率开始下降，离影响点更远的量子比特也开始看到它们的错误率随着声子在整个芯片上的扩散而上升。在恢复正常之前，设备中的每个量子比特通常都会看到其平均错误率上升。

这里有一个明显的暗示。纠错依赖于将相邻的量子比特组配置为单个逻辑单元，从而保护量子信息免受影响单个量子比特的任何错误的影响。但在宇宙射线的情况下，所有相邻的量子比特很可能同时出现错误。在这些情况下，没有现实的方法来保持纠错功能。

那么关键问题就变成了这些事件是否经常发生以影响计算？如果它们足够罕见，我们可以丢弃那些涉及错误的计算并重新开始。但是这篇论文也研究了这一点，结论并不好。平均来说，这里使用的(相当小的)量子处理器每10秒就会出现一次错误。我们感兴趣的大多数在量子计算机上运行的算法可能需要几个小时才能完成。(这可能看起来很长，但请记住，这些计算在传统硬件上根本无法完成。)

因此，这对transmon超导量子比特来说是一个问题，该论文表明类似的问题可能会影响其他领先技术。随着我们构建更大的处理器以增加量子比特数，情况只会变得更糟。有什么可以做的吗？

不幸的是，这篇论文的作者不得不在这里转向假设。他们指出，天文学家在设计成像硬件时遇到了类似的问题，并想出了改变探测器物理结构以限制声子传播的方法。但目前尚不清楚那里使用的技术是否与量子处理硬件兼容。但这篇论文似乎给了人们一个很好的理由去找出答案。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03557-5

[2]https://www.nature.com/articles/s41567-021-01432-8

[3]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03588-y

[4]https://arstechnica.com/science/2021/12/cosmic-rays-can-swamp-error-correction-on-quantum-processors/

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