量子计算机或需要重新设计，宇宙射线对量子计算的威胁超乎想象

    物理学家说，量子计算机可能需要重新设计，以保护它们免受背景辐射的影响[1]。

    早期的实验表明[2]，宇宙射线可以严重破坏超导量子比特的运行。而现在，由美国威斯康星大学麦迪逊分校 (UW-Madison) Robert McDermott[3]领导的一支国际研究小组得出结论，即便一个十分成熟的纠错方法，也不太可能仅凭纠错技术来解决上述问题。

    相反，McDermott及其同事建议，可能需要将屏蔽和改变量子比特芯片的设计结合起来，才能将误差保持在一个可控的水平。

    几十年来，经典计算的发展一直摆脱不了宇宙射线带来的一些麻烦。当这些高能粒子从太空中飞来并撞击计算机硅芯片时，芯片中的一个或多个比特可能会以程序员从未想过的方式改变状态或发生翻转。

    如果这些错误没有得到纠正，可能会产生破坏性的故障。例如澳洲航空72号班机事故，在一个比特翻转错误向飞机的仪器输入错误的数据后，澳航航班上的乘客受伤[4]。

图1｜来自太空的高能粒子和天然背景辐射在与含有超导量子比特的芯片碰撞时会引发难以纠正的错误 (来源：Chris Wilen)

1. 表面码纠错

    对于量子计算机来说，这个问题更加复杂，因为量子比特状态可以朝两个方向翻转。尽管如此，只要量子处理器满足某些要求，一种被称为二维表面码的纠错形式，原则上应该能够应对量子比特翻转。

    表面码纠错的工作原理是将信息编码在一个超导量子比特中，每个量子比特都与其邻近量子比特相连。如果单个量子比特操作的错误率足够低，那么应该可以通过多量子比特操作，使用其中一些量子比特来识别和纠正邻近量子比特的错误。

    与此同时，错误不能相互关联。也就是说，影响一个量子比特的错误不能同时影响其邻近的量子比特。

    但是，研究团队发现，由宇宙射线和来自背景辐射的伽马射线造成的错误，并不符合错误不能相互关联这个条件。此次研究论文的第一作者Chris Wilen表示，团队基本上发现了相关错误的多种机制。

图2｜Robert McDermott组 (来源：UW-Madison)

2. 准粒子中毒

    为了研究这些相关的误差并量化其影响，McDermott及其同事建造了一个包含两对量子比特的芯片。一对量子比特相隔340微米，另一对相隔640微米。

    在对这个4量子比特系统进行量子操作时，物理学家们观察到，成对的量子比特上诱发的电荷有许多同时跳跃。

    当他们使用标准的粒子物理学工具箱对这些电荷的爆发进行建模时，他们确定这些相关的跳跃源于芯片与伽马射线和宇宙射线混合物之间的碰撞。

    相关跳跃的概率对于物理间隔最小的量子比特对来说是最高的，这表明间隔较远的量子比特可以减少高能粒子撞击芯片的直接影响。

    然而，研究小组还遇到了一个更棘手的问题。这些撞击释放的能量最终以声子的形式转移到量子比特的基体上，声子是材料中的振动，可以导致产生准粒子。

    随着这些声子的扩散，它们会产生其他种类的相关误差，而这些误差会影响整个毫米尺度的芯片，该现象被称为“准粒子中毒”(quasiparticle poisoning)，除非有办法能够缓和这种现象，否则它可能会为纠错带来高度破坏性。

    在《自然》杂志上，研究人员提出了两种可能的解决方案[5]。

    一种是通过用铅屏蔽来保护量子处理器，并将其转移到地下场所。另一种是降低量子比特的灵敏度，在芯片中添加材料，可以捕获准粒子或者将它们从量子比特基体上吸出来。

    Wilen表示，这是团队将要克服的一个困难，他们计划在未来积极探索这些缓和策略。

图3｜芯片布局和电荷反应 (来源：Nature)

封面：

Ryan LaRose

引用：

[1]https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-threat-to-quantum-computing-greater-than-previously-thought/

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-020-2619-8

[3]https://mcdermottgroup.physics.wisc.edu/

[4]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%BE%B3%E6%B4%B2%E8%88%AA%E7%A9%BA72%E8%99%9F%E7%8F%AD%E6%A9%9F%E4%BA%8B%E6%95%85

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

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