Technologijos
Kosminiai spinduliai trikdo kvantinius kompiuterius — o Kinijos mokslininkai dabar seka žalą
Neseniai atliktas tyrimas rodo, kad kosminiai spinduliai ir gama spinduliai sukelia koreliuotus klaidų įvykius superlaidžiuose kvbituose, keldami didelį iššūkį kuriant atsparius klaidoms kvantinius kompiuterius.
Reklama
Tyrėjai naudojo 63 kubitų lustą ir šaldytuve įmontuotus miuonų detektorius, kad susietų daugiau nei 80 % kvazidalelių pliūpsnių su gama spinduliais, o likusią dalį – su kosminiais miuonais.
Tyrimas kelia susirūpinimą dėl architektūrų, tokių kaip Majorana kubitai, kurios priklauso nuo stabilių krūvio pariteto būsenų, ir siūlo, kad krūvio pariteto stebėjimas galėtų padėti tiek mažinant klaidas, tiek atliekant fundamentalių dalelių aptikimą.
Kosminiai spinduliai trikdo trapius kvantinius bitus superlaidžiuose procesoriuose, keldami rimtą kliūtį kuriant patikimus kvantinius kompiuterius. Neseniai „Nature Communications“ paskelbtas tyrimas pateikia vienus tiesiogiausių įrodymų, kad energetinės dalelės iš kosmoso sukelia koreliuotus klaidų įvykius visose superlaidžių kubitų matricose, trukdydamos jų gebėjimui išlaikyti koherenciją, reikalingą kvantinių klaidų korekcijai.
Naudodami 63 kubitų procesorių, Pekino Kvantinės informacijos mokslų akademijos ir bendradarbiaujančių Kinijos institucijų tyrėjai aptiko didelės energijos dalelių poveikį, stebėdami krūvio pariteto pokyčius ir bitų apvertimo įvykius keliuose kubituose. Šie pokyčiai įvyksta, kai kvazidalelės – nutrūkusios superlaidžių elektronų poros – tuneliuoja per kvantines grandines, trikdydamos subtilias kvantines būsenas.
Komanda nustatė, kad tiek kosminiai miuonai, tiek žemės gama spinduliai yra atsakingi už šiuos kvazidalelių pliūpsnius. Svarbu tai, kad tyrėjai sugebėjo atskirti šių dviejų spinduliuotės tipų poveikį, įrengę miuonų detektorius dilution šaldytuve, kuriame buvo laikomas kvantinis lustas. Šie detektoriai, išdėstyti po kubito mėginiu, leido patvirtinti, kad kai kurios klaidos tiksliai sutapo su miuonų smūgiais, o kitos – ne, taip nurodydamos gama spindulius kaip kitą pagrindinį kaltininką.
Majorana kubitai, ilgai laikyti šventuoju graliu atspariam klaidoms kvantiniam skaičiavimui, žada įmontuotą apsaugą, koduodami informaciją egzotiškose, nelokaliose kvazidalelėse. Tačiau tyrimo rezultatai kelia susirūpinimą dėl šių naujų architektūrų, kurios priklauso nuo stabilių krūvio pariteto būsenų, kad išlaikytų savo atsparumą klaidoms. Kosminių spindulių sukeltos krūvio pariteto šuoliai gali sutrikdyti šias būsenas, o tai reiškia, kad net reti įvykiai gali pakenkti sistemų, anksčiau laikytų topologiškai apsaugotomis, vientisumui.
Gera žinia – šiek tiek kosminių spindulių pokštas – komanda teigia, kad šis darbas gali atnešti naudingų mokslinių pritaikymų.
„Siūlomas metodas, stebintis daugiakubičius vienalaikius krūvio pariteto šuolius, yra labai jautrus kvazidalelių pliūpsniams ir gali būti pritaikytas kosminių dalelių, mažos masės tamsiosios materijos ir tolimųjų infraraudonųjų fotonų aptikimui“, – rašo komanda straipsnyje.
Šių kosminių kaltininkų sekimas
Kbazidalelių pliūpsniai, arba QP pliūpsniai, pasireiškia kaip vienalaikiai kelių kubitų krūvio pariteto sutrikimai. Šie pliūpsniai yra ypač žalingi, nes sukelia koreliuotus klaidų įvykius – kelis gedimus vienu metu – su kuriais standartiniai kvantiniai klaidų korekcijos kodai sunkiai susidoroja.
Norėdami išmatuoti šiuos įvykius, tyrėjai palygino du aptikimo metodus: vieną, pagrįstą krūvio pariteto šuoliais (labai jautrų kvazidalelėms), ir kitą, pagrįstą bitų apvertimais (dažnesniais kubitų relaksacijos metu). Jie parodė, kad krūvio pariteto metodas gali aptikti sutrikimus esant daug žemesniems energijos slenksčiams, todėl tai yra jautresnis įrankis nustatant, kada ir kur kosminės dalelės smogia.
Naudodami šią sistemą, komanda pastebėjo QP pliūpsnius nuo miuonų, įvykstančius maždaug kas 67 sekundes, ir nuo gama spindulių – daug didesniu dažniu. Iš viso 81,6 % kvazidalelių pliūpsnių buvo siejami su gama spinduliais, o likę 18,4 % – su miuonais.
Miuonai yra mažos, greitai judančios dalelės, susidarančios, kai kosminiai spinduliai iš gilaus kosmoso susiduria su Žemės viršutinės atmosferos atomais, ir jos gali nepastebimai praeiti per pastatus ir žmones. Gama spinduliai yra intensyvūs energijos pliūpsniai, dažnai atsirandantys dėl radioaktyvaus skilimo Žemėje ar smurtinių kosminių įvykių, tokių kaip supernovos, ir jie lengvai prasiskverbia pro daugumą medžiagų. Kaip saugiai keisti gyvenimo būdą sergant širdies ligomis?
Šaldytuvo ekranavimas švino sluoksniu reikšmingai sumažino gama spindulių sukeltus įvykius, tačiau mažai paveikė miuonų sukeltus įvykius.
Kodėl tai svarbu kvantiniam skaičiavimui
Koreliuotos klaidos, kurias sukelia dalelių smūgiai, kelia grėsmę vienam iš pagrindinių reikalavimų kuriant naudingus kvantinius kompiuterius: atsparumui klaidoms. Dabartinės klaidų korekcijos strategijos daro prielaidą, kad klaidos yra lokalios ir nekoreliuotos, paveikiančios tik vieną ar kelis kubitus vienu metu. Tačiau jei daug kubitų sugenda vienu metu dėl vieno kosminio įvykio, šios strategijos žlunga.
Problema tampa ypač opi didesniu mastu. Kai superlaidūs lustai išaugs iki šimtų ar tūkstančių kubitų, akivaizdžiai padidėja tikimybė, kad dalelė pataikys į kokią nors matricos dalį. Net vienas pliūpsnis gali sugadinti ilgai trunkančius kvantinius skaičiavimus. Populiariausias 2023 m. slaptažodis Lietuvoje – „admin“
Tyrimas taip pat kelia abejonių dėl idėjos, kad vien tik kubitų koherencijos laikų ar vartų tikslumo gerinimas bus pakankamas. Neadresavus koreliuotų klaidų, net pažangiausi kvantiniai procesoriai gali neatitikti reikalavimų patikimiems ilgalaikiams skaičiavimams.
Link geresnio aptikimo – ir apsaugos
Ne viskas prarasta, teigia tyrėjai, ir – įdomu – komandos aptikimo metodas pats gali pasiūlyti sprendimą. Atidžiai stebėdami krūvio pariteto šuolius keliuose kubituose, tyrėjai gali ne tik identifikuoti kosminius įvykius po jų įvykio, bet galbūt ilgainiui sugebės juos numatyti ir realiuoju laiku prisitaikyti.
Pavyzdžiui, jei kosminio spindulio smūgis aptinkamas skaičiavimo metu, kvantinės klaidų korekcijos grandinės galėtų būti nukreiptos aplenkti paveiktus kubitus. Tai leistų sistemai „išjungti“ lusto dalis, kuriose tikėtina koreliuotų klaidų plitimas, išsaugant likusius skaičiavimus. Akiniai nuo saulės apsaugos nuo UV spindulių ir paįvairins jūsų įvaizdį
Kitas galimas kelias – valdyti kvantinius kompiuterius po žeme arba ekranuotose aplinkose, sumažinant kosminių spindulių srautą. Tačiau tokios strategijos didina išlaidas ir sudėtingumą, ir vis tiek neišspręstų gama spindulių sukeltų klaidų, kurios gali kilti iš pačiame laboratorijoje esančių medžiagų.
Medžiagos yra svarbios
Viena priežastis, kodėl šis tyrimas pastebėjo greitesnį kvazidalelių skilimą nei ankstesni eksperimentai (įskaitant „Google“ „Sycamore“ procesorių), yra kubitų medžiagų dizainas. Pekino komandos naudojami aliuminio plėvelės veikia kaip kvazidalelių gaudyklės dėl jų žemesnio superlaidumo tarpo, palyginti su aplinkinėmis tantalo sluoksniais. Tai lemia, kad kvazidalelės kaupiasi ir rekombinuojasi greičiau, sumažindamos sutrikimų trukmę. Pavojai sode
Sąmoningai kuriant tokias gaudykles ir mažinant vietas, kur kvazidalelės gali užsilikti, lustų dizaineriai gali dar labiau sušvelninti dalelių smūgių žalą. Be to, naudojant medžiagas su kruopščiai suprojektuotais energijos tarpais, galima absorbuoti arba neutralizuoti fononus – energijos bangas, susidarančias dalelių smūgių metu – prieš joms pasiekiant jautrias vietas.
Tyrėjai mano, kad jų krūvio pariteto stebėjimo metodas gali peržengti kvantinio skaičiavimo ribas. Kadangi jis gali aptikti mažus energijos pernašus su dideliu erdviniu ir laiko skiriamumu, šis metodas galėtų būti naudojamas ieškant egzotiškų dalelių, tokių kaip tamsioji materija, ar aptikti tolimuosius infraraudonuosius fotonus. Sureguliavus įrenginio jautrumą ir pritaikius jo medžiagas, šis kvantinis lustas vieną dieną gali tapti ne tik skaičiavimo, bet ir fundamentinės fizikos įrankiu.
Nuo laboratorijos Vilniuje iki Tarptautinės kosminės stoties
Turinys priklauso: thequantuminsider.com
