Según un par de estudios publicados recientemente, es hora de eliminar las fuentes de energía radiactiva de bajo nivel de las instalaciones que realizan y realizan experimentos con qubits superconductores. Mejorar significativamente los tiempos de sincronización de un dispositivo cuántico es un paso importante hacia la era de la computación cuántica práctica.
Dos artículos complementarios, publicados en revistas. PRX cuántico Y Revista de instrumentacióndescriben qué fuentes de radiación ionizante perturbadora son las más problemáticas para los ordenadores cuánticos superconductores y cómo abordarlas. Los resultados sientan las bases para estudios cuantitativos de fallas causadas por efectos de la radiación en instalaciones subterráneas protegidas.
Un equipo de investigación dirigido por físicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, junto con colegas del Laboratorio Lincoln del MIT, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y varios socios académicos, lideraron la comunidad de computación cuántica. ayude a prepararse para la próxima generación de desarrollo de qubits.
El “ruido” electrónico socava los esfuerzos por extender la vida útil de los qubits.
“Pronto llegará el momento en que los avances en diseño y materiales harán que los qubits sean lo suficientemente estables como para que los efectos ambientales de la radiación dispersa se conviertan en el paso limitante de la coherencia cuántica”, dijo el físico Brent van Devender, uno de los líderes de la investigación. equipo. Van Devender fue uno de los primeros científicos en identificar la radiación ionizante natural como fuente de inestabilidad para el funcionamiento de los qubits, la unidad fundamental de una computadora cuántica.
Incluso las perturbaciones menores pueden causar errores que hacen que los qubits superconductores pierdan su estado cuántico, un proceso conocido como decoherencia. El equipo de investigación descubrió que la radiación cósmica y los isótopos naturales, que emiten bajos niveles de radiación ionizante y se encuentran en materiales ordinarios, son igualmente responsables de crear el trastorno.
“Una vez que establecimos el efecto de la radiación ionizante en los qubits superconductores, supimos que necesitábamos identificar sistemática y cuantitativamente las fuentes de radiación en la atmósfera”, dijo el físico experimental principal Ben Lower. “Nuestra experiencia midiendo niveles muy bajos de radiación en laboratorio nos llevó a incorporar fuentes de radiación dentro de las unidades más experimentales, los criostatos, donde se estudian estos qubits experimentales”.
“Descubrimos que muchos conectores eléctricos simplemente están sucios desde el punto de vista de actuar como fuente de radiación”, añadió Van Devender.
Limpieza subterránea
Combinados, los dos estudios apuntan a medidas efectivas para proteger equipos experimentales sensibles de los efectos de la exposición a la radiación.
En el Journal of Instrumentation, el equipo de investigación describe las precauciones tomadas para reducir en gran medida el potencial de radiación atmosférica y isotópica en las instalaciones subterráneas del banco de pruebas de qubits de PNNL en Richland, campus de Washington. El fondo se llama instalación criogénica. Construido dentro de un laboratorio subterráneo ultralimpio existente, el banco de pruebas incluye un criostato, también conocido como refrigerador de dilución, capaz de enfriar dispositivos qubit superconductores al cero absoluto, que es la clave de la computación cuántica de este diseño para estabilizar los dispositivos. El equipo de investigación informa que este criostato blindado con plomo puede reducir la tasa de error hasta 20 veces la tasa de error observada en una instalación aérea típica y sin protección.
Además, el equipo informa que algunas precauciones relativamente simples, como eliminar las fuentes naturales de radiación del contenido de un refrigerador de dilución, contribuyen en gran medida a que los dispositivos de computación cuántica sean viables. Estas fuentes incluyen isótopos metálicos (variedades de elementos naturales que emiten radiación espontánea en forma de rayos alfa, beta y gamma) que pueden interferir con los dispositivos cuánticos.
Buscando fuentes de estas radiaciones dentro del laboratorio, buscaron componentes electrónicos de silicio, cobre y cerámica, como placas de circuitos y cables, utilizados para recopilar datos de los dispositivos, e incluso para detectar contaminantes en los propios qubits utilizaron una detección especial ultrasensible. métodos. Para reducir los efectos de estos dispositivos, el equipo sugiere utilizar un material como el latón en lugar de la aleación de berilio y cobre que se encuentra comúnmente en los cables. Los objetivos futuros de esta investigación incluyen probar la efectividad de qubits “reforzados por la radiación” que son menos sensibles a los efectos de la radiación y estudiar menos material de fondo.
Transferencia de conocimientos desde tecnología de detección sensible
En un estudio complementario, publicado en PRX Quantum, el equipo de investigación midió las interacciones de la radiación ionizante directamente en un sensor superconductor dentro de un crioenfriador, un refrigerador que puede alcanzar temperaturas criogénicas extremadamente frías. Utilizaron circuitos simples de detección de radiación impresos en una pieza de silicio como los que se usan para los qubits. Aquí demostraron que la radiación parásita que interactúa con las placas de circuitos de silicio y que potencialmente puede causar qubits u otros “efectos indeseables en el rendimiento del circuito” se desvía bien de la tasa y el espectro de energía previstos.
El equipo de investigación se basó en la experiencia adquirida durante el diseño y la construcción de detectores diurnos doble beta, detectores de neutrinos y detectores de materia oscura, que son igualmente sensibles a niveles bajos de radiación. El equipo de investigación identificó dos formas complementarias de reducir la sensibilidad de los elementos superconductores a la radiación parásita como primer paso hacia el “endurecimiento por radiación”: aislar los elementos superconductores en “islas” de cristal y simplemente adelgazar el sustrato del cristal.
“Hemos demostrado qué fuentes de radiación son importantes y estamos ansiosos por ver cómo funcionarán los nuevos instrumentos en nuestras instalaciones de bajo nivel de fondo”, dijo Lower.
Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía, la Oficina de Ciencias, el Programa Horizontes Cuánticos del Programa de Física Nuclear y un Premio a la Carrera Temprana para Ben Lower, así como el Programa de Descubrimiento Permitido por la Ciencia de la Información Cuántica (Quantum ISED) del Programa de Física de Altas Energías y la Inward Investment. Fue apoyado por. PNNL.
