科学探索|研究揭示了宇宙射线对量子纠错算法的切实影响研究揭示了宇宙射线对量子纠

最近，有研究人员在 Google 量子处理器上测试纠错功能时发现了一个奇怪的现象 —— 整套纠错方案偶尔会遇到严重的失败。一番思索后，不少人将之归结为背景辐射，涵盖了宇宙射线、以及自然界中放射性同位素的偶发衰变。为此，Google 还砸钱用上了极其昂贵的宇宙射线探测器。

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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。

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研究配图 - 1：快速重复相关采样
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。

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研究配图 - 2：识别事件和背景错误
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，允许硬件识别其中一个量子比特何时出现异常。

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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。

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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。但它们仍可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。