Квантовые компьютеры придется ставить под землей — опасность несут в себе космические лучи

Мощность квантовых вычислений напрямую зависит от целостности кубита — минимальной единицы информации в квантовом компьютере. Если квантовые компьютеры масштабировать и разместить на одном процессоре больше кубитов, то их производительность многократно возрастет. Поэтому ученые постоянно заняты совершенствованием кубитов.

Но также для производительности вычислений важна целостность кубита, то есть продолжительность его работы. Дестабилизация кубита называется декогеренцией — именно она в конечном итоге ограничивает время работы квантового компьютера.

Исследователи из Массачусетского технологического института с коллегами обнаружили, что существует прямая угроза производительности кубитов —  это низкоуровневое фоновое излучение. Оно практически безвредно для людей и исходит от космических лучей и даже бетонных перекрытий в зданиях, и именно оно вызывает дестабилизацию в кубитах. Если его влияние не снизить, то производительность кубитов упадет до нескольких миллисекунд, что критически важно для скорости квантовых вычислений.

Уже известно, что к дестабилизации кубита ведут флуктуирующие магнитные и электрические поля, тепловая энергия. Но также у ученых давно были подозрения, что низкоуровневое излучение имеет схожий эффект. А с учетом скорости, с которой сейчас совершенствуются кубиты, проблема падения скорости ждет ученых уже совсем скоро, буквально через несколько лет. Поэтому нужно искать способы оградить кубиты и квантовые компьютеры от низкоуровневого излучения. И у авторов работы, опубликованной в Nature, есть два предложения, как это сделать.

В рамках нового исследования ученые провели эксперимент по отслеживанию воздействия известного излучения известных уровней излучения на производительность сверхпроводящего кубита. Они облучили два небольших диска из чистой меди, а затем один из них поместили вместе со сверхпроводящими кубитами в холодильник с температурой примерно в 200 раз ниже космической. Второй диск оставили при комнатной температуре, и в обоих случаях исследователи следили, как радиоактивность меди влияет на когерентность кубитов, при этом радиоактивность снижалась до фонового уровня.

В результате опыта была отмечена четкая связь между уровнями излучения и производительностью кубита. Следующим шагом была демонстрация того, что кубиты можно защитить от излучения. Ученые делали это при помощи стены из свинцовых кирпичей — ее поднимали и опускали на протяжении нескольких недель. Специальный детектор в это время определял целостность кубитов с экраном и без него. Сравнивая два результата, исследователи подтвердили, что экранирование улучшает производительность кубита. Авторы работы при этом допускают, что не обязательно размещать квантовые компьютеры глубоко под землей — возможно, достаточно будет подвальных помещений.

Также у авторов исследования есть идеи, как создавать квантовые вычислительные устройства, которые по-прежнему будут эффективны в условиях фонового излучения. Они предлагают разработать менее чувствительные к квазичастицам кубиты или спроектировать ловушки для квазичастиц.