La praticità dell'informatica quantistica dipende dall'integrità del bit quantistico, o qubit.

Qubit, gli elementi logici dei computer quantistici, sono sistemi coerenti a due livelli che rappresentano l'informazione quantistica. Ogni qubit ha la strana capacità di trovarsi in una sovrapposizione quantistica, portando contemporaneamente aspetti di entrambi gli stati, abilitando una versione quantistica del calcolo parallelo. computer quantistici, se possono essere ridimensionati per ospitare molti qubit su un processore, potrebbe essere vertiginosamente più veloce, e in grado di gestire problemi molto più complessi, rispetto ai computer convenzionali di oggi.

Ma tutto dipende dall'integrità di un qubit, o per quanto tempo può funzionare prima che la sua sovrapposizione e le informazioni quantistiche vengano perse, un processo chiamato decoerenza, che alla fine limita il tempo di esecuzione del computer. I qubit superconduttori, una delle principali modalità qubit oggi, hanno ottenuto un miglioramento esponenziale in questa metrica chiave, da meno di un nanosecondo nel 1999 a circa 200 microsecondi oggi per i dispositivi più performanti.

Ma i ricercatori del MIT, Laboratorio del MIT Lincoln, e il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno scoperto che le prestazioni di un qubit presto colpiranno un muro. In un articolo pubblicato su Natura , il team riferisce che il basso livello, La radiazione di fondo altrimenti innocua emessa dagli elementi in traccia nei muri di cemento e dai raggi cosmici in entrata è sufficiente a causare la decoerenza nei qubit. Hanno scoperto che questo effetto, se lasciato non mitigato, limiterà le prestazioni dei qubit a pochi millisecondi.

Data la velocità con cui gli scienziati hanno migliorato i qubit, potrebbero colpire questo muro indotto dalle radiazioni in pochi anni. Per superare questa barriera, gli scienziati dovranno trovare il modo di proteggere i qubit, e qualsiasi computer quantistico pratico, dalle radiazioni di basso livello, magari costruendo i computer sottoterra o progettando qubit che tollerano gli effetti delle radiazioni.

"Questi meccanismi di decoerenza sono come una cipolla, e abbiamo rimosso gli strati negli ultimi 20 anni, ma c'è un altro livello che non si è placato ci limiterà in un paio d'anni, che è la radiazione ambientale, "dice William Oliver, professore associato di ingegneria elettrica e informatica e Lincoln Laboratory Fellow al MIT. "Questo è un risultato entusiasmante, perché ci motiva a pensare ad altri modi per progettare i qubit per aggirare questo problema."

L'autore principale del documento è Antti Vepsäläinen, un postdoc nel Research Laboratory of Electronics del MIT.

"È affascinante quanto siano sensibili i qubit superconduttori alla radiazione debole. Comprendere questi effetti nei nostri dispositivi può essere utile anche in altre applicazioni come i sensori superconduttori utilizzati in astronomia, " dice Vepsäläinen.

I coautori del MIT includono Amir Karamlou, Akshunna Dogra, Francisca Vasconcelos, Simon Gustavsson, e professore di fisica Joseph Formaggio, insieme a David Kim, Alessandro Melville, Betania Niedzielski, e Jonilyn Yoder al Lincoln Laboratory, e John Orrel, Ben Loer, e Brent VanDevender di PNNL.

Un effetto cosmico

I qubit superconduttori sono circuiti elettrici realizzati con materiali superconduttori. Comprendono una moltitudine di elettroni accoppiati, note come coppie Cooper, che fluiscono attraverso il circuito senza resistenza e lavorano insieme per mantenere il tenue stato di sovrapposizione del qubit. Se il circuito si surriscalda o si interrompe in altro modo, le coppie di elettroni possono scindersi in "quasiparticelle, " provocando decoerenza nel qubit che ne limita il funzionamento.

Ci sono molte fonti di decoerenza che potrebbero destabilizzare un qubit, come campi magnetici ed elettrici fluttuanti, energia termica, e persino l'interferenza tra i qubit.

Gli scienziati sospettano da tempo che livelli molto bassi di radiazioni possano avere un effetto destabilizzante simile nei qubit.

"Io negli ultimi cinque anni, la qualità dei qubit superconduttori è migliorata molto, e ora siamo entro un fattore 10 da dove contano gli effetti delle radiazioni, "aggiunge Kim, un membro dello staff tecnico del MIT Lincoln Laboratotry.

Quindi Oliver e Formaggio si sono uniti per vedere come potrebbero inchiodare l'effetto delle radiazioni ambientali di basso livello sui qubit. Come fisico dei neutrini, Formaggio ha esperienza nella progettazione di esperimenti che schermano dalle più piccole sorgenti di radiazioni, essere in grado di vedere i neutrini e altre particelle difficili da rilevare.

"La calibrazione è fondamentale"

Il gruppo, lavorando con i collaboratori del Lincoln Laboratory e del PNNL, prima ha dovuto progettare un esperimento per calibrare l'impatto dei livelli noti di radiazioni sulle prestazioni dei qubit superconduttori. Per fare questo, avevano bisogno di una fonte radioattiva nota, una che diventasse meno radioattiva abbastanza lentamente da valutare l'impatto a livelli di radiazione sostanzialmente costanti, ma abbastanza rapidamente da valutare una gamma di livelli di radiazioni in poche settimane, fino al livello della radiazione di fondo.

Il gruppo ha scelto di irradiare un foglio di rame ad alta purezza. Quando esposto a un flusso elevato di neutroni, il rame produce abbondanti quantità di rame-64, un isotopo instabile con esattamente le proprietà desiderate.

"Il rame assorbe i neutroni come una spugna, "dice Formaggio, che ha lavorato con gli operatori del Nuclear Reactor Laboratory del MIT per irradiare due piccoli dischi di rame per diversi minuti. Hanno quindi posizionato uno dei dischi accanto ai qubit superconduttori in un frigorifero a diluizione nel laboratorio di Oliver nel campus. A temperature circa 200 volte più fredde dello spazio esterno, hanno misurato l'impatto della radioattività del rame sulla coerenza dei qubit mentre la radioattività è diminuita, verso il basso verso i livelli di fondo ambientali.

La radioattività del secondo disco è stata misurata a temperatura ambiente come indicatore dei livelli che colpiscono il qubit. Attraverso queste misurazioni e relative simulazioni, il team ha compreso la relazione tra i livelli di radiazione e le prestazioni dei qubit, uno che potrebbe essere usato per dedurre l'effetto delle radiazioni ambientali naturali. Sulla base di queste misurazioni, il tempo di coerenza del qubit sarebbe limitato a circa 4 millisecondi.

"Non è finita la partita"

Il team ha quindi rimosso la sorgente radioattiva e ha proceduto a dimostrare che schermare i qubit dalle radiazioni ambientali migliora il tempo di coerenza. Per fare questo, i ricercatori hanno costruito un muro di 2 tonnellate di mattoni di piombo che potrebbe essere sollevato e abbassato su un sollevatore a forbice, per schermare o esporre il frigorifero alle radiazioni circostanti.

"Abbiamo costruito un piccolo castello intorno a questo frigorifero, "dice Oliviero.

Ogni 10 minuti, e per diverse settimane, gli studenti del laboratorio di Oliver si alternavano premendo un pulsante per sollevare o abbassare il muro, come un rilevatore ha misurato l'integrità dei qubit, o "tasso di rilassamento, " una misura di come la radiazione ambientale influisce sul qubit, con e senza scudo. Confrontando i due risultati, hanno efficacemente estratto l'impatto attribuito alla radiazione ambientale, confermando la previsione di 4 millisecondi e dimostrando che la schermatura ha migliorato le prestazioni dei qubit.

"La radiazione dei raggi cosmici è difficile da eliminare, " dice Formaggio. "È molto penetrante, e attraversa tutto come una corrente a getto. Se vai sottoterra, che diventa sempre meno. Probabilmente non è necessario costruire computer quantistici nelle profondità del sottosuolo, come esperimenti sui neutrini, ma forse le strutture sotterranee profonde potrebbero probabilmente far funzionare i qubit a livelli migliorati."

Andare sottoterra non è l'unica opzione, e Oliver ha idee su come progettare dispositivi di calcolo quantistico che funzionino ancora di fronte alle radiazioni di fondo.

"Se vogliamo costruire un'industria, probabilmente preferiremmo mitigare gli effetti delle radiazioni fuori terra, " Dice Oliver. "Possiamo pensare di progettare i qubit in un modo che li renda 'rad-hard, ' e meno sensibile alle quasiparticelle, o progettare trappole per quasiparticelle in modo che, anche se vengono costantemente generate da radiazioni, possono fluire via dal qubit. Quindi sicuramente non è finita la partita, è solo lo strato successivo della cipolla che dobbiamo affrontare".