Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Bức xạ từ các nguồn tự nhiên trong môi trường có thể hạn chế hoạt động của các bit lượng tử siêu dẫn, được gọi là qubit. Khám phá có ý nghĩa đối với tính toán lượng tử và tìm kiếm vật chất tối.
Một nhóm nghiên cứu đa ngành đã chỉ ra rằng bức xạ từ các nguồn tự nhiên trong môi trường có thể hạn chế hoạt động của các bit lượng tử siêu dẫn, được gọi là qubit. Phát hiện được báo cáo trên tạp chí Nature có ý nghĩa đối với việc xây dựng và vận hành máy tính lượng tử, một dạng máy tính tiên tiến đã thu hút hàng tỷ đô la đầu tư công và tư trên toàn cầu.
Sự hợp tác giữa các nhóm tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (PNNL) và Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) giúp giải thích một nguồn nhiễu bí ẩn hạn chế hiệu suất của qubit.
John Orrell, nhà vật lý nghiên cứu PNNL, tác giả cao cấp của nghiên cứu và chuyên gia đo bức xạ mức thấp cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi là nghiên cứu đầu tiên cho thấy rõ ràng rằng bức xạ ion hóa mức độ thấp trong môi trường làm suy giảm hiệu suất của qubit siêu dẫn. “Những phát hiện này cho thấy rằng cần phải che chắn bức xạ để đạt được hiệu suất được tìm kiếm từ lâu trong các máy tính lượng tử của thiết kế này.”
Bức xạ tự nhiên tàn phá máy tính
Các kỹ sư máy tính đã biết trong ít nhất một thập kỷ rằng bức xạ tự nhiên phát ra từ các vật liệu như bê tông và chạy xuyên qua bầu khí quyển của chúng ta dưới dạng tia vũ trụ có thể khiến máy tính kỹ thuật số bị trục trặc. Nhưng máy tính kỹ thuật số gần như không nhạy như máy tính lượng tử.
Nhà vật lý Brent VanDevender của PNNL cho biết: “Chúng tôi nhận thấy rằng việc tính toán lượng tử thực tế với những thiết bị này sẽ không thể thực hiện được trừ khi chúng tôi giải quyết vấn đề bức xạ.”
Các nhà nghiên cứu đã hợp tác để giải một câu đố gây khó khăn trong nỗ lực giữ cho máy tính lượng tử siêu dẫn hoạt động đủ lâu để khiến chúng trở nên đáng tin cậy và thực tế. Một máy tính lượng tử đang hoạt động sẽ nhanh hơn hàng nghìn lần so với siêu máy tính nhanh nhất đang hoạt động hiện nay. Và nó sẽ có thể giải quyết những thách thức về máy tính mà các máy tính kỹ thuật số ngày nay không được trang bị đầy đủ để đảm đương. Nhưng thách thức trước mắt là làm sao để các qubit duy trì trạng thái của chúng, một kỳ tích được gọi là “tính liên kết”. Trạng thái lượng tử mong muốn này là thứ mang lại sức mạnh cho máy tính lượng tử.
Nhà vật lý Will Oliver của MIT đang làm việc với các qubit siêu dẫn và trở nên bối rối trước một nguồn gây nhiễu đã giúp đẩy các qubit ra khỏi trạng thái chuẩn bị của chúng, dẫn đến “phân rã” và khiến chúng trở nên phi chức năng. Sau khi loại trừ một số khả năng khác nhau, ông đã xem xét ý tưởng rằng bức xạ tự nhiên từ các nguồn như kim loại được tìm thấy trong đất và bức xạ vũ trụ từ không gian có thể đẩy các qubit vào trạng thái phân rã.
Một cuộc trò chuyện tình cờ giữa Oliver, VanDevender và người cộng tác lâu năm của ông, nhà vật lý Joe Formaggio của MIT, đã dẫn đến dự án hiện tại.
Nó chỉ là tự nhiên
Để kiểm tra ý tưởng, nhóm nghiên cứu đã đo hiệu suất của các qubit siêu dẫn nguyên mẫu trong hai thí nghiệm khác nhau:
Cặp thí nghiệm đã chứng minh rõ ràng mối quan hệ nghịch đảo giữa mức bức xạ và độ dài thời gian qubit ở trạng thái kết hợp.
Bức xạ phá vỡ các cặp electron phù hợp thường mang dòng điện mà không có điện trở trong chất siêu dẫn. Sức đề kháng của những electron không ghép đôi đó phá hủy trạng thái được chuẩn bị tinh vi của một qubit.
Các nhà nghiên cứu kết luận rằng những phát hiện này có ý nghĩa tức thì đối với thiết kế và xây dựng qubit. Các nhà nghiên cứu cho biết các vật liệu được sử dụng để chế tạo máy tính lượng tử phải loại trừ vật liệu phát ra bức xạ. Ngoài ra, có thể cần phải che chắn các máy tính lượng tử thí nghiệm khỏi bức xạ trong khí quyển.
Tại PNNL, sự quan tâm đã chuyển sang liệu Phòng thí nghiệm ngầm nông, nơi giảm 99% phơi nhiễm bức xạ bề mặt, có thể phục vụ cho sự phát triển máy tính lượng tử trong tương lai hay không. Thật vậy, một nghiên cứu gần đây của một nhóm nghiên cứu châu Âu đã chứng thực sự cải thiện về tính kết hợp của qubit khi các thí nghiệm được tiến hành dưới lòng đất.
Nếu không được giảm thiểu, bức xạ sẽ giới hạn thời gian kết dính của các qubit siêu dẫn xuống còn vài mili giây, không đủ cho tính toán lượng tử thực tế.
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng các yếu tố khác ngoài phơi nhiễm bức xạ là trở ngại lớn hơn đối với sự ổn định của qubit trong thời điểm hiện tại. Những thứ như khiếm khuyết cực nhỏ hoặc tạp chất trong vật liệu được sử dụng để cấu tạo qubit được cho là nguyên nhân chính gây ra giới hạn hiệu suất hiện tại khoảng 1/10 mili giây. Nhưng một khi những hạn chế đó được khắc phục, bức xạ bắt đầu tự khẳng định mình là một giới hạn và cuối cùng sẽ trở thành một vấn đề nếu không có các chiến lược che chắn bức xạ tự nhiên đầy đủ.
Phát hiện ảnh hưởng đến tìm kiếm toàn cầu về vật chất tối
Ngoài việc giúp giải thích nguồn gốc của sự không ổn định của qubit, kết quả nghiên cứu cũng có thể có ý nghĩa đối với việc tìm kiếm vật chất tối trên toàn cầu, được cho là chỉ chiếm dưới 85% vũ trụ đã biết, nhưng cho đến nay đã thoát khỏi sự phát hiện của con người với dụng cụ. Một cách tiếp cận tín hiệu liên quan đến việc sử dụng nghiên cứu phụ thuộc vào các máy dò siêu dẫn có thiết kế tương tự như qubit. Máy dò vật chất tối cũng cần được che chắn khỏi các nguồn bức xạ bên ngoài, vì bức xạ có thể kích hoạt các bản ghi sai làm che khuất các tín hiệu vật chất tối mong muốn.
Ben Loer, nhà vật lý nghiên cứu PNNL, người đang làm việc trong lĩnh vực phát hiện vật chất tối và hiệu ứng bức xạ trên qubit siêu dẫn cho biết: “Việc nâng cao hiểu biết của chúng ta về quá trình này có thể dẫn đến thiết kế cải tiến cho các cảm biến siêu dẫn này và dẫn đến các cuộc tìm kiếm vật chất tối nhạy hơn. “Chúng tôi cũng có thể sử dụng kinh nghiệm của mình với các cảm biến vật lý hạt này để cải thiện các thiết kế qubit siêu dẫn trong tương lai.”
Nguồn truyện:
Tài liệu do DOE / Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :