Partículas cósmicas e radiação de fundo estão influenciando inesperadamente a computação quântica

Partículas do espaço e da radiação de fundo estão tendo um impacto muito mais forte na computação quântica do que se pensava, sugerem novas pesquisas. As coisas podem ir tão longe que os sistemas quânticos começarão a se esconder em sarcófagos de chumbo nas profundezas do subsolo.

Fonte da imagem: Chris Wilen / Physics World

Uma equipe internacional de pesquisadores liderada por Robert McDermott da Universidade de Wisconsin em Madison conduziu uma série de experimentos com dois pares de qubits supercondutores em um substrato de silício. Um par de qubits estava espaçado de 340 mícrons e o outro – 640 mícrons.

O experimento mostrou que no processo de operações quânticas, quando algumas manipulações com qubits eram realizadas, numerosos saltos simultâneos de carga eram registrados em pares vizinhos. A simulação de processos em um computador usando a instrumentação padrão da física de partículas elementares sugere que os saltos ocorrem nos momentos de interação dos qubits (chip) com fundo misto e radiação cósmica (com partículas dessas radiações).

Dados experimentais e teóricos indicam que no decorrer das operações quânticas, sob a influência de partículas cósmicas e de fundo, surgiram os chamados erros correlatos. Em outras palavras, erros em um par de qubits se manifestaram simultaneamente em um par vizinho de qubits, e isso não é apenas ruim, mas muito ruim.

Para corrigir erros nos cálculos de cante, dois métodos principais são usados ​​- um simples, aumentando o número de qubits físicos, e outro mais complexo, usando códigos de superfície de qubits acoplados. No primeiro caso, para salvar completamente o valor de um qubit lógico, pode levar até 1000 qubits físicos para cada qubit lógico e, no segundo caso, uma matriz bidimensional é construída a partir de qubits físicos e lógicos, que requer muito menos recursos para correção de erros.

Uma das características do método de codificação de superfície promissor é que não há erros correlacionados no sistema. Em qualquer caso, foi considerado assim antes da nova experiência. Físicos dos Estados Unidos mostraram que esse não é o caso, e as partículas do espaço e da radiação de fundo são capazes de influenciar simultaneamente os estados dos qubits vizinhos, embora quanto mais separados esses qubits sejam, menos prováveis ​​serão esses erros.

Um dos motivos dos erros correlacionados reside no fato de que as partículas cósmicas, ao interagirem com um qubit, eliminam os fótons, o que, por sua vez, causa o aparecimento de quasipartículas no material de um processador quântico. Essas quasipartículas viajam longe o suficiente no material para afetar os qubits vizinhos. Como resultado, os físicos acreditam que o design dos processadores quânticos terá que ser seriamente modificado, assim como a blindagem de chumbo e, mais confiável, para ocultar sistemas quânticos no subsolo, como é feito ao estudar neutrinos ou ao procurar matéria escura.