最近，有研究人員在 Google 量子處理器上測試糾錯功能時發現了一個奇怪的現象 —— 整套糾錯方案偶爾會遇到嚴重的失敗。一番思索后，不少人將之歸結為背景輻射，涵蓋了宇宙射線、以及自然界中放射性同位素的偶發衰變。為此，Google 還砸錢用上了極其昂貴的宇宙射線探測器。
Sycamore 處理器（來自：Google）
然而處理器背後的研究團隊，還是想要刨根問底，並在《自然·物理學》上的一篇新論文中詳細介紹了宇宙輻射是如何影響量子比特的。
簡而言之，宇宙射線引發的問題很是普遍，足以破壞量子計算機的糾錯工作，除非我們找到一種方法來規避這方面的不利影響。
研究配圖 – 1：快速重複相關採樣
其實不止量子計算機，宇宙射線與其它放射源也會讓經典計算機硬件遇到同樣的問題。原因是其依賴於移動和存儲電荷，但宇宙射線會在撞擊材料時產生電荷。
相比之下，量子比特是以量子態來存儲信息。至於 Google 的量子處理器，雖然它通過超導線環與諧振器相連，但宇宙射線對它們的影響機制並不完全相同。
研究配圖 – 2：識別事件和背景錯誤
宇宙射線的撞擊也會產生振動能量，並以所謂“聲子”的形式出現。這些聲子能夠組合形成准粒子，且初始表現得像是具有不同特性的單個粒子。
但它們最終還是會造成破壞（與計算機硬件交換能量），影響包括構成超導基礎的庫珀電子對（另一類准粒子）、或量子比特本身，改變其狀態並破壞任何糾纏。
若這些聲子僅影響單個量子比特，問題倒也不會太大，畢竟量子糾錯方案就是要在這個時候派上用場的。具體涉及在多個量子比特之間分配量子信息，允許硬件識別其中一個量子比特何時出現異常。
研究配圖 – 3：錯誤的定位與傳播
問題在於，准粒子最終無法被定位，反而散布在起源地周圍、並最終影響多個量子比特，這樣就足以對量子糾錯工作造成干擾。
為此，參與早期糾錯研究的部分人員與一組物理學家聚首，決定深入觀察量子處理硬件中是否真的發生了類似事情。
實驗期間，Google 團隊在處理器上挑選了 26 個最不容易出錯的量子比特，並將它們全部設置為單一量子狀態。然後研究人員可以讓處理器閑置一小段時間，看量子比特是否仍維持在原狀態。
研究配圖 – 4：提取事件期間的能量衰減時間
宇宙射線的撞擊，其實很容易被識別。在處理器空閑 100μs 后，典型背景錯誤率在 4 / 26 個左右。當宇宙射線碰巧撞擊時，大約 24 個量子比特最終處於錯誤狀態 —— 即使每個 qubit 與相鄰 qubit 的距離都在 1 mm 左右。
為證實准粒子影響，研究人員放眼於狀態依賴性。預測是准粒子會迅速失去能量，無法通過轉移足夠的能量、以將量子比特從基態提升到激發態。但它們仍可從量子比特那裡吸收能量，使處於激發態的量子比特回落至基態。
有鑒於此，如果准粒子介導了這些相互作用，那麼當所有量子比特一開始都處於激發態時，我們就不難想象它們會在全以基態開始時出現更多的錯誤 —— 這也正是研究團隊所看到的。
有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《Nature Physics》期刊上，原標題為《Resolving catastrophic error bursts from cosmic rays in large arrays of superconducting qubits》。