记录来自实验超导量子比特信号的电子连接必须非常干净，以避免杂散环境辐射中断量子相干性。图片来源：埃里克·弗兰卡维拉 |太平洋西北国家实验室
根据最近发表的两项研究，现在是时候将低能级放射性能源从容纳超导量子比特和进行实验的设施中淘汰出去了。显著提高量子器件相干时间是迈向实用量子计算时代的关键一步。
发表在《PRX Quantum》杂志和《Journal of Instrumentation》上的两篇互补文章概述了哪些干扰电离辐射源对超导量子计算机来说最成问题以及如何解决它们。这些发现为定量研究屏蔽地下设施中辐射效应引起的误差奠定了基础。
由美国能源部太平洋西北国家实验室的物理学家领导的研究团队与麻省理工学院林肯实验室、美国国家标准与技术研究院的同事以及多个学术合作伙伴合作，发布了他们的发现，以帮助量子计算界为下一代量子比特开发做好准备。
电子“噪声”破坏了延长量子比特寿命的努力“设计和材料的进步将使量子比特足够稳定，以至于杂散辐射的环境效应成为量子相干的限速步骤，”研究团队负责人之一物理学家 Brent VanDevender 说。VanDevender 是最早将自然电离辐射确定为量子比特（量子计算机的基本单位）功能不稳定源的科学家之一。
即使是最轻微的干扰也会导致错误，从而导致超导量子比特失去其量子态，这一过程称为退相干。研究小组发现，宇宙辐射和天然存在的同位素（发射的电离辐射水平低，存在于常见材料中）对导致退相干的作用大致相同。
“一旦我们确定了电离辐射对超导量子比特的影响，我们就知道我们需要系统地、定量地识别环境中的辐射源，”首席实验物理学家 Ben Loer 说。
“我们在实验室中测量超低水平辐射的经验使我们将辐射源纳入非常实验的单元中，即低温恒温器，在那里研究这些实验量子比特。”
“我们发现，从充当辐射源的角度来看，许多电气连接器都是肮脏的，”VanDevender 补充道。
清理地下这两项研究结合起来，指出了保护敏感实验设备免受辐射暴露影响的有效措施。
在《仪器仪表杂志》（Journal of Instrumentation）上的文章中，研究小组描述了在 PNNL 华盛顿里奇兰校区的屏蔽地下量子比特测试台设施（称为低本底低温设施）中为大幅降低大气和同位素辐射暴露的可能性而采取的预防措施。
该测试台在现有的超洁净地下实验室内建造，包括一个低温恒温器，也称为稀释制冷机，能够将超导量子比特设备冷却到接近绝对零度，这是稳定这种设计的量子计算设备的关键。研究小组报告说，与典型的地上非屏蔽设施中的错误率相比，这种铅屏蔽低温恒温器可以将错误率降低 20 倍。
此外，该团队报告说，某些相对简单的预防措施，例如消除稀释冰箱内材料中的天然辐射源，对使量子计算设备可行大有帮助。这些来源包括金属同位素，即自然存在的元素变体，它们会自发地以 α、β 和 γ 射线的形式喷射辐射，从而干扰量子器件。
在实验室内探索这些辐射源时，他们使用专门的超灵敏检测方法来识别硅、铜和陶瓷电子元件中的污染物，例如用于从仪器收集数据的电路板和电缆，甚至量子比特本身。
为了减少这些设备的影响，该团队建议使用黄铜等材料，而不是电缆中常见的铍铜合金。这项研究的未来目标包括测试对辐射影响不太敏感的“抗辐射”量子比特的有效性，以及研究低本底材料。
测量概述。图片来源：PRX Quantum （2024）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.5.040323
从灵敏检测技术中传递知识在发表在 PRX Quantum 上的配套研究中，研究小组直接测量了低温冷却器（一种可以达到超低温的冰箱）内超导传感器上的电离辐射相互作用。他们使用简单的辐射检测电路，这些电路印在一块类似于量子比特的硅上。
在这里，他们表明，与硅电路板相互作用并可能导致量子比特退相干或其他“对电路性能的不良影响”的杂散辐射与预测的速率和能谱非常吻合。
研究团队依赖于在设计和构建双 β 衰变探测器、中微子探测器和暗物质探测器期间开发的专业知识，这些探测器对低水平辐射同样敏感。他们确定了两种互补的方法，以降低超导元件对杂散辐射的敏感性，作为“辐射硬化”的第一步：将超导元件隔离在晶体“岛”上，并简单地使晶体衬底更薄。
“我们已经证明了哪些辐射源是重要的，我们渴望看到新设备在我们的低本底设施中表现如何，”Loer 说。
更多信息：Joseph W. Fowler 等人，自然电离辐射在量子电路衬底中的能量沉积的光谱测量和模型，PRX Quantum （2024）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.5.040323
B. Loer 等人，超导量子器件的电离辐射消减，仪器仪表杂志（2024 年）。DOI： 10.1088/1748-0221/19/09/P09001
期刊信息： PRX Quantum
