Найдены природные ограничения для квантовых компьютеров
Эффективность квантовых вычислений зависит от того, как долго элементарная ячейка для хранения информации — квантовый кубит — может продержаться в особом состоянии квантовой суперпозиции. Кубит способен находиться в двух противоположных состояниях по очереди, а может, согласно непривычным для нас принципам квантовой механики, быть одновременно в обоих, что и называется когерентностью кубита или квантовой суперпозицией — по аналогии с когерентностью электромагнитных волн в классической физике. Пребывание сразу в двух состояниях позволяет производить параллельные вычисления и наращивать производительность компьютера.
Если состояние квантовой суперпозиции нарушается, иными словами, происходит декогеренция: кубит «выпадает» из процесса вычислений. К декогеренции приводит воздействие тепловых, электрических и магнитных полей, а также различного рода частиц. Разрушение квантовой суперпозиции похоже на детские крики летом во дворе в момент, когда человек пытается поймать хрупкое равновесие с внутренним «Я», медитируя на коврике. Проще говоря, декогеренция — это хаос неопределенности, обрывков информации, которые врываются в квантовую систему извне и неконтролируемым образом меняют ее состояние. В окружающую среду при этом попадает часть информации о квантовом объекте, как если бы медитирующий не сдержался и накричал на шумную детвору в окно.
Максимальное время пребывания кубита в состоянии суперпозиции увеличилось в 200 тысяч раз с 1999 года. Теперь это время составляет 200 миллионных долей секунды, что для квантового мира — довольно долго. Можно ли и дальше увеличивать длительность состояния суперпозиции, или в природе существуют ограничения? Ученые из Массачусетского технологического института и и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории обнаружили, что производительность кубита в скором времени перестанет расти. Причина тому — естественный радиационный фон планеты, безвредный для людей, но, как оказалось, губительный для квантовых систем будущего.
В исследовании, опубликованном журнале Nature, команда ученых измеряла влияние излучения на когерентность кубитов. Экспериментаторы взяли радиоактивный изотоп меди и расположили рядом с кубитами. Уровень радиации постепенно снижали до уровня естественного фона — лучей из космоса и частиц, вылетающих из бетонных стен. Из полученной зависимости было рассчитано максимальное время когерентности кубита: 4 миллисекунды, что всего в 20 раз больше достигнутого сейчас значения.
Учитывая скорость, с которой ученые совершенствуют кубиты, эта проблема может всплыть через считанные годы. Поэтому придется найти способы защитить кубиты от естественного фона. Один из вариантов — строительство квантовых компьютеров под землей.