量子運算是新型態的運算技術，速度比傳統的二進位制位元運算快上數億倍。然而量子位元的量子態很不穩定，很容易受到溫度、電場變化的干擾，造成量子去相干（decoherence），影響量子運算的性能。
此外，近期 MIT 的科學家發現，「輻射」也會影響量子態，不需要強到核電廠的等級，僅是照射到地表的宇宙射線就會干擾量子運算。輻射會是量子發展的瓶頸嗎？研究團隊將研究發表到《Nature》期刊，討論輻射對量子運算的影響。
研究論文傳送門
量子態容易受到干擾，影響量子運算
量子運算的可行性，取決於量子位元的穩定性。以超導量子位元為例，它產生於超導材料，由名為庫柏對（Cooper pairs）的電子對組成，但如果系統被干擾，電子對就會被破壞，形成準粒子（quasiparticle），讓量子位元去相干，量子態被破壞。
量子態並不穩定，磁場、電場、溫度的波動，以及量子位元間的交互作用都會造成量子去相干，破壞量子態。而科學家長久以來懷疑，輻射是否也會造成量子去相干。
MIT 實驗證實，輻射會影響量子位元
近期，MIT 林肯實驗室與西北太平洋國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory）聯合實驗，打造設備阻絕輻射，觀察量子態的變化。
但實驗前，研究團隊需要設計一套機制，校準已知輻射對量子位元的影響。研究團隊需要一種輻射強度已知的輻射源。他們使用高純度的銅，將銅暴露在高強度中子的照射下，產生同位素銅 64。銅 64 的輻射強度能在數週的時間內衰退到背景輻射的強度，讓研究團隊研究不同強度的輻射對量子位元的影響。
研究團隊準備兩個銅盤，用中子讓它們成為銅 64。接著將其中一個銅盤置於超導位元旁邊，紀錄輻射對量子態的影響；並將另一個銅盤於室溫下，作為輻射強度的標準。
藉由測量，研究團隊得知輻射與量子位元的關係，並推論環境輻射造成的影響。根據測量，量子相干時間被輻射線縮在 4 毫秒的長度。
接著，研究團隊移除輻射物質，並建造重達 2 噸的「鉛磚」牆，抵擋環境輻射。研究團隊量測在有牆與無牆的狀況下，量子位元的狀況。實驗證實，輻射會影響量子位元，讓相干時間限縮在 4 毫秒，並證明在有防護的狀況下，量子位元的效能可提升。
解決方式：將設備建在地底，或建立不受輻射影響的量子位元
量子運算技術發展數十年，量子態維持時間從 1990 年代的奈秒，延長到現今的微秒等級，然而輻射會讓量子態遇到無法突破的天花板嗎？
參與研究的教授 Joseph Formaggio 表示，宇宙射線的穿透力很強，基本上很難擺脫，但可以透過將設備建在地底的方式，降底宇宙射線的影響，提升量子位元的性能。
但地底不是唯一的選擇。參與實驗的副教授 William Oliver 認為能透過其他機制減緩輻射的影響，例如設計不受輻射影響的量子位元，建立對準粒子敏感度低的量子位元，或者是建立準粒子的陷阱，讓它們離開量子系統，不干擾量子位元的運作。
因此，量子運算仍然有發展的可能性。Oliver 形容，量子去相干的機制很像洋蔥，過去 20 年來，科學家一直在研究它的機制，雖然近期發現輻射對量子態的影響，但「這絕對不是 Game Over」，這只是另外一層人類要處理的「洋蔥」罷了！
參考資料
（本文提供合作夥伴轉載；首圖來源：PXhere CC Licensed）
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