DAOrayaki |高能粒子对量子处理器的影响

我们确定了这些高能粒子撞击量子处理器时所产生的影响。为了检测和研究单个撞击事件,我们使用了快速、可重复测量的新技术,将我们的处理器当作粒子探测器来操作。它们在芯片中扩散,这使我们能够描述由此产生的错误突发,有助于更好地理解这一相关错误的重要来源。

DAOrayaki |高能粒子对量子处理器的影响

我们确定了这些高能粒子撞击量子处理器时所产生的影响。为了检测和研究单个撞击事件,我们使用了快速、可重复测量的新技术,将我们的处理器当作粒子探测器来操作。它们在芯片中扩散,这使我们能够描述由此产生的错误突发,有助于更好地理解这一相关错误的重要来源。

DAOrayaki DAO研究奖金池:

资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展:DAO Reviewer  1/0 通 过

赏金总量:35 USD

研究种类:Quantum Computing, Quantum Processors

原文作者:   Matt McEwen

创作者:Heyyawn@DAOrayaki.org

审核者:Wonder@DAOrayaki.org

原文:  Resolving High-Energy Impacts on Quantum Processors

量子处理器由超导量子位(qubits[1])组成的。量子位作为量子物体,它对即使是极少量的环境噪声也非常敏感。而这种噪声会导致量子计算的错误,需要解决[2]这些错误才得以继续推动量子计算机的发展。我们的 Sycamore 处理器安装在专门设计的低温恒温器[3]中,它们被密封起来,远离杂散光和电磁场,并被冷却到非常低的温度以减少热噪声。

然而,世界上充满了高能辐射。事实上,微小的高能伽马射线[4]和 μ 子[5]一直穿过我们周围的一切。虽然这些粒子的相互作用非常微弱,不会对我们的日常生活造成任何伤害,但量子位非常敏感,即使是微弱的粒子相互作用也会造成严重的干扰。

在《自然物理学(Nature Physics)[6]》上发表的《解析大型超导量子位阵列中宇宙射线的灾难性错误爆发(Resolving Castrophic Error Bursts from Cosmic Rays In Large Array of Superconduction Qubits)[7]》一文中,我们确定了这些高能粒子撞击量子处理器时所产生的影响。为了检测和研究单个撞击事件,我们使用了快速、可重复测量的新技术,将我们的处理器当作粒子探测器来操作。它们在芯片中扩散,这使我们能够描述由此产生的错误突发,有助于更好地理解这一相关错误的重要来源。

高能撞击动力学

Sycamore 量子处理器在硅基板上由一层非常薄的超导铝构成,其上蚀刻有图案以定义量子位。在每个量子位的中心是约瑟夫森结(Josephson junction[8]),这是一个超导组件,它定义了用于计算的量子位的不同能级。在超导金属中,电子结合形成宏观的量子态,从而允许电子以零电阻电流(超电流)的形式流动。在超导量子位中,信息以不同的振荡超电流模式编码,通过约瑟夫森结来回振荡。

如果向系统中添加足够的能量,可以将超导态打破,产生准粒子(quasiparticles[9])。而这些准粒子的出现会带来一些问题,因为它们可以从振荡的超电流中吸收能量并跳过约瑟夫森结,从而改变量子位状态并产生错误。为了防止芯片吸收任何能量并产生准粒子,我们使用了广泛的电场和磁场屏蔽,并使用强大的低温冰箱将芯片保持在绝对零度[10]温度的附近,从而最大限度地减少热能。

我们无法有效屏蔽的一个能量来源是高能辐射。高能辐射包括可以直接穿过大多数材料的带电粒子和光子。而这些粒子的一个来源是随处可见的微量放射性元素,例如,在建筑材料中、构成低温恒温器的金属中,甚至在空气中。另一个来源是宇宙射线[11],它是由超新星[12]和黑洞[13]产生的高能粒子。当宇宙射线冲击高层大气时,它们会产生高能粒子雨,这些粒子可以下到地表并穿过我们的芯片。在放射性杂质和宇宙射线簇射之间,我们预计每隔几秒钟就会有一个高能粒子穿过量子芯片。

当高能撞击事件发生时,能量以声子的形式在芯片中传播。当这些声子到达超导量子层时,它们会破坏超导态并产生了准粒子,从而导致我们观察到的量子位误差。

当其中一个粒子撞击芯片时,它会直接穿过芯片,并沿其穿过基板的路径沉积少量能量。即使这些粒子只是产生少量能量,但对于量子位来说也是非常大的能量。无论撞击发生在哪里,能量都会通过被称为声子(phonons[14])的量子振动迅速扩散到整个芯片。当这些声子撞击到构成量子位的铝层时,它们就有足够多的能量打破超导状态并产生准粒子。由于产生了如此多的准粒子,以至于量子位与一个粒子相互作用的概率变得非常高。我们认为这是由于这些准粒子从量子位吸收能量,导致整个芯片的误差突然显著增加。最终,随着声子的逃逸和芯片的冷却,这些准粒子重新组合回超导状态,而量子位的错误率慢慢恢复正常。

高能粒子撞击(Time = 0 ms)在量子处理器的一部分上,该图显示了每个量子位随时间变化的错误率。该事件开始时,误差在整个芯片上迅速扩散,然后达到饱和,再慢慢恢复到平衡状态。

用计算机检测粒子

设计 Sycamore 处理器是为了用于执行量子纠错(QEC,即quantum error correction[15])以降低错误率,并使其能够执行各种量子算法。QEC 提供了一种识别和减轻错误[16]的有效方法,只要这些错误足够罕见且独立。然而,在高能粒子穿过芯片的情况下,所有的量子位都将经历高错误率,直到事件冷却,这会产生一个 QEC 无法纠正的相关错误突发。为了成功地执行 QEC,我们首先必须了解这些影响事件在处理器上是什么样子的,这需要像粒子探测器[17]一样操作。

为此,我们利用在量子位状态准备和测量方面的最新进展[18],快速制备处于激发态的每个量子位,类似于将经典位从 0 翻转到 1。然后我们等待一个短暂的闲置时间,测量它们是否仍然处于激发状态。如果量子位的行为正常,那么几乎所有的量子位都会正常。此外,经历了从激发态衰变的量子位不会相互关联,这意味着有错误的量子位将随机地分布在芯片上。

然而,在实验过程中,我们偶尔会观察到大的错误突发,即芯片上所有的量子位突然变得更容易出错。这种相关的错误突发是高能撞击事件的明显标志。我们还看到,虽然芯片上的所有量子位都受到事件的影响,但错误率最高的量子位都集中在撞击点周围的“热点”,在那里,扩散的声子向量子位层沉积的能量略多。

为了探测高能撞击,我们快速准备处于激发态的量子位,等待一段时间,然后检查它们是否保持其状态。撞击会产生一个相关的错误突发,所有的量子位都显示出显著提高的错误率,如上图所示,在 Time = 8s 左右。

下一步工作

这些错误突发很严重,并迅速覆盖整个芯片,它们是 QEC 无法纠正的一种相关错误。因此,在未来有望依赖 QEC 的处理器找到一个解决方案,以缓解这些事件。

屏蔽这些粒子非常困难,通常需要精细的工程和设计,包括低温恒温箱,数米的屏蔽层,随着处理器尺寸的增加,这变得更加不切实际。另一种方法是修改芯片,允许它在不引起广泛相关错误的情况下承受撞击。这种方法在其他复杂的超导设备上也有使用,比如天文望远镜的探测器,因为在这些设备上不可能使用屏蔽。此类缓解策略的例子包括在芯片上添加额外的金属层以吸收声子并阻止它们进入量子位,在芯片中添加障碍物以防止声子长距离扩散,以及在量子位中添加陷阱来捕捉准粒子。通过采用这些技术,未来的处理器将更加稳健地应对这些高能撞击事件。

随着量子处理器的错误率持续降低、我们在逻辑量子位纠错方面取得的进展,我们将越来越需要去研究更多奇特的错误来源。虽然 QEC 是纠正多种错误的有力工具,但了解和纠正更多困难的相关错误来源将变得越来越重要。我们期待着未来的处理器设计能够处理高能撞击,并实现量子纠错的首次实验演示。

参考文献:

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Qubit

[2]https://ai.googleblog.com/2021/08/demonstrating-fundamentals-of-quantum.html

[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Dilution_refrigerator

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray

[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Muon

[6]https://www.nature.com/nphys/

[7]https://www.nature.com/articles/s41567-021-01432-8

[8]https://en.wikipedia.org/wiki/Josephson_junction

[9]https://en.wikipedia.org/wiki/Quasiparticle

[10]https://en.wikipedia.org/wiki/Absolute_zero

[11]https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_ray

[12]https://en.wikipedia.org/wiki/Supernova

[13]https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole

[14]https://en.wikipedia.org/wiki/Phonon

[15]https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_error_correction

[16]https://ai.googleblog.com/2021/08/demonstrating-fundamentals-of-quantum.html

[17]https://en.wikipedia.org/wiki/Particle_detector

[18]https://www.nature.com/articles/s41467-021-21982-y


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