研究揭示了宇宙射线对量子纠错算法的切实影响

Sycamore 处理器（来自：Google）

然而处理器背后的研究团队，还是想要刨根问底，并在《自然·物理学》上的一篇新论文中详细介绍了宇宙辐射是如何影响量子比特的。

简而言之，宇宙射线引发的问题很是普遍，足以破坏量子计算机的纠错工作，除非我们找到一种方法来规避这方面的不利影响。

其实不止量子计算机，宇宙射线与其它放射源也会让经典计算机硬件遇到同样的问题。原因是其依赖于移动和存储电荷，但宇宙射线会在撞击材料时产生电荷。

相比之下，量子比特是以量子态来存储信息。至于 Google 的量子处理器，虽然它通过超导线环与谐振器相连，但宇宙射线对它们的影响机制并不完全相同。

研究配图 - 1：快速重复相关采样

宇宙射线的撞击也会产生振动能量，并以所谓“声子”的形式出现。这些声子能够组合形成准粒子，且初始表现得像是具有不同特性的单个粒子。

但它们最终还是会造成破坏（与计算机硬件交换能量），影响包括构成超导基础的库珀电子对（另一类准粒子）、或量子比特本身，改变其状态并破坏任何纠缠。

若这些声子仅影响单个量子比特，问题倒也不会太大，毕竟量子纠错方案就是要在这个时候派上用场的。

具体涉及在多个量子比特之间分配量子信息，以允许硬件识别其中一个量子比特何时出现异常。

研究配图 - 2：识别事件和背景错误

研究配图 - 3：错误的定位与传播

问题在于，准粒子最终无法被定位，反而散布在起源地周围、并最终影响多个量子比特，这样就足以对量子纠错工作造成干扰。

为此，参与早期纠错研究的部分人员与一组物理学家聚首，决定深入观察量子处理硬件中是否真的发生了类似事情。

实验期间，Google 团队在处理器上挑选了 26 个最不容易出错的量子比特，并将它们全部设置为单一量子状态。

然后研究人员可以让处理器闲置一小段时间，看量子比特是否仍维持在原状态。

研究配图 - 4：提取事件期间的能量衰减时间

宇宙射线的撞击，其实很容易被识别。在处理器空闲 100μs 后，典型背景错误率在 4 / 26 个左右。

当宇宙射线碰巧撞击时，大约 24 个量子比特最终处于错误状态 —— 即使每个 qubit 与相邻 qubit 的距离都在 1 mm 左右。

为证实准粒子影响，研究人员放眼于状态依赖性。预测是准粒子会迅速失去能量，无法通过转移足够的能量、以将量子比特从基态提升到激发态。

但它们还是可以从量子比特那里吸收能量，使处于激发态的量子比特回落至基态。

最终结论是：如果准粒子介导了这些相互作用，那么当所有量子比特一开始都处于激发态时，我们就不难想象它们会在全以基态开始时出现更多的错误 —— 这也正是研究团队所看到的。

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《Nature Physics》期刊上，原标题为《Resolving catastrophic error bursts from cosmic rays in large arrays of superconducting qubits》。