Un equipo de investigación multidisciplinario ha demostrado que la radiación de fuentes naturales en el medio ambiente puede limitar el rendimiento de los bits cuánticos superconductores, conocidos como qubits. El descubrimiento, publicado hoy en la revista Naturaleza , tiene implicaciones para la construcción y operación de computadoras cuánticas, una forma avanzada de computación que ha atraído miles de millones de dólares en inversiones públicas y privadas a nivel mundial.
La colaboración entre los equipos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico PNNL del Departamento de Energía de EE. UU. Y el Instituto de Tecnología de Massachusetts MIT ayuda a explicar una misteriosa fuente de interferencia que limita el rendimiento de los qubit.
"Nuestro estudio es el primero en mostrar claramente que la radiación ionizante de bajo nivel en el medio ambiente degrada el rendimiento de los qubits superconductores", dijo John Orrell, físico investigador de PNNL, autor principal del estudio y experto en medición de radiación de bajo nivel."Estos hallazgos sugieren que será necesario un blindaje contra la radiación para lograr el rendimiento tan buscado en las computadoras cuánticas de este diseño".
La radiación natural causa estragos en las computadoras
Los ingenieros informáticos saben desde hace al menos una década que la radiación natural que emana de materiales como el hormigón y que atraviesa nuestra atmósfera en forma de rayos cósmicos puede provocar un mal funcionamiento de las computadoras digitales. Pero las computadoras digitales no son tan sensibles como una computadora cuántica..
"Descubrimos que la computación cuántica práctica con estos dispositivos no será posible a menos que abordemos el problema de la radiación", dijo el físico de PNNL Brent VanDevender, co-investigador del estudio.
Los investigadores se unieron para resolver un acertijo que ha estado exasperando los esfuerzos para mantener las computadoras cuánticas superconductoras funcionando durante el tiempo suficiente para que sean confiables y prácticas. Una computadora cuántica en funcionamiento sería miles de veces más rápida que incluso la supercomputadora más rápida que funciona en la actualidad. Ypodría abordar los desafíos informáticos para los que las computadoras digitales de hoy en día no están bien equipadas. Pero el desafío inmediato es que los qubits mantengan su estado, una hazaña llamada "coherencia", dijo Orrell. Este estado cuántico deseable es lo que dacomputadoras cuánticas su poder.
El físico del MIT Will Oliver estaba trabajando con qubits superconductores y se quedó perplejo ante una fuente de interferencia que ayudó a sacar a los qubits de su estado preparado, lo que llevó a la "decoherencia" y los hizo no funcionales. Después de descartar una serie de diferentesposibilidades, consideró la idea de que la radiación natural de fuentes como los metales que se encuentran en el suelo y la radiación cósmica del espacio podrían estar empujando a los qubits hacia la decoherencia.
Una conversación casual entre Oliver, VanDevender y su colaborador de mucho tiempo, el físico del MIT Joe Formaggio, condujo al proyecto actual.
es solo natural
Para probar la idea, el equipo de investigación midió el rendimiento de prototipos de qubits superconductores en dos experimentos diferentes :
El par de experimentos demostró claramente la relación inversa entre los niveles de radiación y el tiempo que los qubits permanecen en un estado coherente.
"La radiación rompe los pares de electrones que normalmente transportan corriente eléctrica sin resistencia en un superconductor", dijo VanDevender. "La resistencia de esos electrones no apareados destruye el estado delicadamente preparado de un qubit".
Los hallazgos tienen implicaciones inmediatas para el diseño y la construcción de qubit, concluyeron los investigadores. Por ejemplo, los materiales utilizados para construir computadoras cuánticas deberían excluir el material que emite radiación, dijeron los investigadores. Además, puede ser necesario proteger las computadoras cuánticas experimentalesde la radiación en la atmósfera.
En PNNL, el interés se centró en si el Laboratorio Subterráneo Poco Profundo, que reduce la exposición a la radiación superficial en un 99%, podría servir para el desarrollo futuro de la computadora cuántica. De hecho, un estudio reciente de un equipo de investigación europeo corrobora la mejora en la coherencia de los qubit cuandoconducido bajo tierra.
"Sin mitigación, la radiación limitará el tiempo de coherencia de los qubits superconductores a unos pocos milisegundos, lo cual es insuficiente para la computación cuántica práctica", dijo VanDevender.
Los investigadores enfatizan que otros factores además de la exposición a la radiación son impedimentos mayores para la estabilidad de los qubits por el momento. Se cree que cosas como defectos microscópicos o impurezas en los materiales utilizados para construir qubits son los principales responsables del límite de rendimiento actual de aproximadamente una décima partede milisegundo. Pero una vez que se superan esas limitaciones, la radiación comienza a imponerse como un límite y eventualmente se convertirá en un problema sin las estrategias adecuadas de protección contra la radiación natural, dijeron los investigadores.
Los hallazgos afectan la búsqueda global de materia oscura
Además de ayudar a explicar una fuente de inestabilidad qubit, los hallazgos de la investigación también pueden tener implicaciones para la búsqueda global de materia oscura, que se cree que comprende poco menos del 85% del universo conocido, pero que hasta ahora ha escapado a la detección humana.con los instrumentos existentes. Un enfoque de las señales implica el uso de investigaciones que dependen de detectores superconductores de diseño similar a los qubits. Los detectores de materia oscura también deben protegerse de fuentes externas de radiación, porque la radiación puede desencadenar grabaciones falsas que oscurecen las señales deseables de materia oscura.
"Mejorar nuestra comprensión de este proceso puede conducir a diseños mejorados para estos sensores superconductores y conducir a búsquedas de materia oscura más sensibles", dijo Ben Loer, un físico investigador de PNNL que trabaja tanto en la detección de materia oscura como en los efectos de la radiación en qubits superconductores."También podemos utilizar nuestra experiencia con estos sensores de física de partículas para mejorar los futuros diseños de qubit superconductores".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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