Une équipe de recherche multidisciplinaire a montré que le rayonnement de resources naturelles dans l’environnement peut limiter les performances des bits quantiques supraconducteurs, appelés qubits. La découverte, rapportée aujourd’hui dans la revue Character, a des implications pour la building et le fonctionnement des ordinateurs quantiques, une forme avancée d’informatique qui a attiré des milliards de dollars d’investissements publics et privés dans le monde.



La collaboration entre les équipes du Pacific Northwest Countrywide Laboratory (PNNL) du département américain de l’énergie et du Massachusetts Institute of Technologies (MIT), aide à expliquer une resource mystérieuse d’interférence limitant les performances des qubits.

« Notre étude est la première à montrer clairement que les rayonnements ionisants de bas niveau dans l’environnement dégradent les performances des qubits supraconducteurs », a déclaré John Orrell, physicien de recherche PNNL, auteur principal de l’étude et pro en mesure des rayonnements de bas niveau. « Ces résultats suggèrent que le blindage contre les radiations sera nécessaire pour atteindre les performances recherchées depuis longtemps dans les ordinateurs quantiques de cette conception. »



Le rayonnement naturel fait des ravages avec les ordinateurs

Les ingénieurs en informatique savent depuis au moins une décennie que le rayonnement naturel émanant de matériaux comme le béton et pulsant à travers notre atmosphère sous la forme de rayons cosmiques peut provoquer un dysfonctionnement des ordinateurs numériques. Mais les ordinateurs numériques ne sont pas aussi sensibles qu’un ordinateur quantique.

« Nous avons constaté que le calcul quantique pratique avec ces appareils ne sera probable que si nous abordons le problème des rayonnements », a déclaré Brent VanDevender, physicien du PNNL, co-investigateur de l’étude.

Les chercheurs se sont associés pour résoudre un casse-tête qui a vexé les initiatives visant à faire fonctionner les ordinateurs quantiques supraconducteurs suffisamment longtemps pour les rendre fiables et pratiques. Un ordinateur quantique en état de marche serait des milliers de fois furthermore rapide que même le supercalculateur le as well as rapide fonctionnant aujourd’hui. Et il serait en mesure de relever les défis informatiques que les ordinateurs numériques d’aujourd’hui sont mal équipés pour relever. Mais le défi immédiat est de faire en sorte que les qubits maintiennent leur état, un exploit appelé « cohérence », a déclaré Orrell. Cet état quantique souhaitable est ce qui donne leur puissance aux ordinateurs quantiques.

Le physicien du MIT Will Oliver travaillait avec des qubits supraconducteurs et est devenu perplexe experience à une resource d’interférence qui a aidé à pousser les qubits hors de leur état préparé, conduisant à la « décohérence » et les rendant non fonctionnels. Après avoir exclu un particular nombre de possibilités différentes, il a considéré l’idée que le rayonnement naturel provenant de resources telles que les métaux trouvés dans le sol et le rayonnement cosmique de l’espace pourraient pousser les qubits à la décohérence.

Une conversation fortuite entre Oliver, VanDevender et son collaborateur de longue date, le physicien du MIT Joe Formaggio, a conduit au projet actuel.

C’est seulement naturel

Pour tester l’idée, l’équipe de recherche a mesuré les performances de prototypes de qubits supraconducteurs dans deux expériences différentes:

  • Ils ont exposé les qubits à un rayonnement élevé du cuivre métallique activé dans un réacteur
  • Ils ont construit un bouclier autour des qubits qui abaissait la quantité de rayonnement naturel dans leur environnement

La paire d’expériences a clairement démontré la relation inverse entre les niveaux de rayonnement et la durée pendant laquelle les qubits restent dans un état cohérent.

« Le rayonnement brise les paires d’électrons appariés qui transportent généralement le courant électrique sans résistance dans un supraconducteur », a déclaré VanDevender. « La résistance de ces électrons non appariés détruit l’état délicatement préparé d’un qubit. »

Les résultats ont des implications immédiates pour la conception et la building des qubits, ont conclu les chercheurs. Par exemple, les matériaux utilisés pour construire les ordinateurs quantiques devraient exclure les matériaux qui émettent des radiations, ont déclaré les chercheurs. En outre, il peut être nécessaire de protéger les ordinateurs quantiques expérimentaux des rayonnements atmosphériques.

Au PNNL, l’intérêt s’est porté sur la question de savoir si le Shallow Underground Laboratory, qui réduit de 99% l’exposition aux rayonnements de surface, pourrait servir le développement futur de l’ordinateur quantique. En effet, une étude récente d’une équipe de recherche européenne corrobore l’amélioration de la cohérence des qubits lorsque les expériences sont menées sous terre.

« Sans atténuation, le rayonnement limitera le temps de cohérence des qubits supraconducteurs à quelques millisecondes, ce qui est insuffisant pour un calcul quantique pratique », a déclaré VanDevender.

Les chercheurs soulignent que des facteurs autres que l’exposition aux rayonnements sont des hurdles additionally importants à la stabilité du qubit pour le instant. On pense que des choses comme les défauts microscopiques ou les impuretés dans les matériaux utilisés pour construire les qubits sont principalement responsables de la limite de efficiency actuelle d’environ un dixième de milliseconde. Mais une fois ces limites surmontées, le rayonnement start à s’affirmer comme une limite et finira par devenir un problème sans stratégies de safety contre les radiations naturelles adéquates, ont déclaré les chercheurs.

Les résultats affectent la recherche globale de matière noire

En moreover d’aider à expliquer une resource d’instabilité des qubits, les résultats de la recherche peuvent également avoir des implications pour la recherche mondiale de matière noire, qui représenterait un peu moins de 85% de l’univers connu, mais qui a jusqu’à présent échappé à la détection humaine avec devices. Une approche des signaux consiste à utiliser des recherches qui dépendent de détecteurs supraconducteurs de conception similaire aux qubits. Les détecteurs de matière noire doivent également être protégés des resources externes de rayonnement, motor vehicle le rayonnement peut déclencher de faux enregistrements qui obscurcissent les signaux de matière noire souhaitables.

« L’amélioration de notre compréhension de ce processus peut conduire à des conceptions améliorées pour ces capteurs supraconducteurs et conduire à des recherches de matière noire moreover sensibles », a déclaré Ben Loer, un physicien de recherche PNNL qui travaille à la fois dans la détection de la matière noire et les effets des rayonnements sur les qubits supraconducteurs. « Nous pourrons peut-être également utiliser notre expérience avec ces capteurs de physique des particules pour améliorer les futures conceptions de qubit supraconducteurs. »