211service.com
Kosmische straling kan een probleem vormen voor toekomstige kwantumcomputers
Timothy Holland, PNNL
Quantum computing heeft het potentieel om complexe problemen met hyperhoge snelheden aan te pakken. Wat dit mogelijk maakt, is de manier waarop het gebruik maakt van qubits - meestal subatomaire deeltjes zoals elektronen - die kwantumeigenschappen gebruiken om talloze combinaties buiten de 0 of een van conventionele bits. Wanneer paren qubits verstrengeld zijn, kunnen ze elkaars toestand op voorspelbare manieren veranderen, zelfs op zeer lange afstanden, waardoor de verwerkingskracht nog verder wordt vergroot.
Dit alles heeft een prijs. Qubits zijn erg gevoelig voor zelfs de kleinste verstoringen, ze vervallen snel en verdwijnen in een proces dat decoherentie wordt genoemd. En volgens nieuwe bevindingen gepubliceerd in Nature op woensdag is kosmische straling een oorzaak van decoherentie die bijzonder lastig kan zijn.
De nieuwe studie is gebaseerd op een soort kwantumcomputer waarbij supergeleidende materialen worden gebruikt om qubits te produceren via geladen elektronenparen. De bevindingen geven aan dat natuurlijk voorkomende straling die wordt geproduceerd door normale materialen om ons heen, zoals betonconstructies, voldoende is om de nuttige levensduur van dit soort qubit-toestanden te beperken tot slechts enkele milliseconden, waardoor de praktische toepassing van een kwantumcomputer wordt afgestompt. Straling geproduceerd door kosmische straling zou een nog groter effect hebben.
Dit is een probleem omdat het in principe elk dergelijk systeem aantast dat niet is omgeven door lood of ondergronds is opgeslagen. Elke locatie die wordt blootgesteld aan kosmische straling zal een slechte plek zijn om te proberen dit soort processen uit te voeren.
Elke kwantumcomputer die is gebaseerd op supergeleidende qubit-technologie zal zeer expliciet met de effecten van straling moeten omgaan, zegt medeauteur Brent VanDevender van het Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Washington.
Straling beschadigt qubits door er energie in te deponeren. Het kost heel weinig energie om elektronenparen in een supergeleider te verbreken, en deze paren vallen uiteen in vrije elektronen, wat mogelijk kan leiden tot energie-uitwisselingen die de delicate toestand van de supergeleider kunnen vernietigen. Dit zorgt ervoor dat de qubits hun kwantumtoestand verliezen en decoheren, waardoor elke daadwerkelijke kwantumcomputer wordt beëindigd.
Het team - onder leiding van Antti Vepsäläinen, een onderzoeker op het gebied van kwantumcomputers aan het MIT - stelde supergeleidende qubits bloot aan bestraald koper en ontdekte dat qubits die alleen aan natuurlijke stralingsniveaus werden blootgesteld, ongeveer vier milliseconden stabiel waren. Dit is eigenlijk langer dan wat we nu gemiddeld zien in quantum computing-experimenten (ongeveer 0,1 milliseconde stabiliteit), maar zelfs een paar milliseconden is nog te kort voor praktische quantum computing-toepassingen. De studie benadrukt dat zelfs als we andere oorzaken van decoherentie kunnen elimineren, zoals fysieke trillingen of temperatuurveranderingen, straling quantum computing nog steeds moeilijk zal maken.
De bevindingen zijn niet zo verrassend, zegt Shyam Shankar, een onderzoeker op het gebied van kwantumcomputers aan de Universiteit van Texas in Austin, die niet betrokken was bij dit onderzoek. Ik zou zeggen dat veel mensen zouden verwachten dat dit zou gebeuren. Maar we wisten niet precies op welk niveau deze straling qubits zou beïnvloeden. Dat is gedeeltelijk te wijten aan hoe moeilijk het is om deze experimenten daadwerkelijk uit te voeren. Het is leuk om te zien dat anderen het experiment daadwerkelijk uitvoeren en de werkelijke waarden voor dit fenomeen krijgen, zegt hij.
Dit is het moment om dit te gaan begrijpen en aan te pakken, zegt VanDevender. Quantum computing-ingenieurs kunnen foutcorrectiemechanismen inzetten die deze effecten kunnen verminderen, maar momenteel zijn ze te traag om de door straling veroorzaakte qubit-decoherentie in te halen.
Met lage niveaus van straling van kosmische straling die de meeste locaties op het oppervlak van de planeet doordringen, zijn de beste manieren om stralingsinterferentie te verminderen de gemakkelijkste: qubit-apparaten afschermen tegen straling (door materialen zoals lood te gebruiken) of ze ondergronds te bouwen. VanDevender denkt dat er waarschijnlijk een ideale middenweg is die zal vragen om bescheiden afscherming en ondiepe ondergrondse locaties. Met andere woorden, als je een kwantumcomputer bouwt, zet hem dan in een kelder. Toekomstige ingenieurs zouden ook kunnen kijken naar de ontwikkeling van qubits die op de een of andere manier minder gevoelig zijn voor straling.
Hoewel het geen goed nieuws is voor kwantumcomputing, kan dit onderzoek een positieve kant hebben. Het blijken qubits of iets dergelijks fantastische stralingsdetectoren te zijn, zegt VanDevender. Er is hoop op een verbeterde gevoeligheid bij het zoeken naar donkere materie of op experimenten die een aantal lang gezochte tekortkomingen in ons standaardmodel van de deeltjesfysica aan het licht kunnen brengen.
Correctie 23-8-20: Dit verhaal maakte aanvankelijk verwijzingen naar op de ruimte gebaseerde kwantumcomputersystemen die onnauwkeurig waren. We hebben deze verwijzingen verwijderd.