保護されていない量子コンピュータは、背景放射線によって量子ビットの寿命が短くなり、4msの壁にぶつかる可能性がある。

水曜日にネイチャー誌に掲載された論文に記載されている実験室実験によれば、遮蔽されていない量子コンピューターは、背景放射線によってシステムが完全に不安定になるまで、数ミリ秒しか動作できない可能性があるという。

1999年当時、量子コンピュータの動作時間は1ナノ秒未満でした。20年以上が経過し、今日のシステムは約200マイクロ秒まで動作できるようになりました。しかし、MITの実験者たちは、十分な放射線遮蔽が行われていない場合、今日の技術では約4ミリ秒が絶対的な限界になると述べています。これは、宇宙線や身の回りにある放射性物質からの放射線がコンピュータの量子ビットに影響を与えるためです。具体的には、放射線によって量子ビットのコヒーレンスが失われます。

「電離放射線は常に私たちの周りにあります」と、この研究の筆頭著者であり、MITのポスドク研究員であるアンティ・ヴェプサライネン氏はThe Register紙に語った。「電離放射線は、建築資材中の放射性元素の崩壊や微量放射性元素、あるいは宇宙から地球に絶えず降り注ぐ宇宙線から発生します。」

「これらの高エネルギー放射線は、衝突した物質にイオン化した電子正孔対と高エネルギーフォノンを生成するのに十分なエネルギーを持っています。これらの励起は物質内の他の粒子とさらに相互作用し、物質中を伝播するエネルギーの『衝撃波』を作り出し、最終的に量子ビットが存在する超伝導体に衝突します。」

ヴェプサライネン氏は、デバイスを鉛の遮蔽層で保護するか、回路自体を耐放射線化することを推奨した。「放射線は少ないに越したことはありません」と彼は付け加えた。「当研究所の現在の電離放射線レベルを考えると、量子ビットの寿命は放射線の影響で4ミリ秒に制限されると推定しました。」

背景放射線は、現代の量子コンピューターにはまだ目立った影響を与えません。量子ビットはコヒーレントな状態を長く維持できず、電離粒子が衝突する前に他の要因によって不安定化してしまうことが多いからです。

「電離放射線は今日の超伝導量子ビットにおけるデコヒーレンスの主なメカニズムではありませんが、この効果を研究することは重要です」とヴェプサライネンは語った。

しかし、量子コンピュータの性能向上が進むにつれ、数年後には放射線が動作時間の制限要因となるだろう。「これらのデコヒーレンスのメカニズムはタマネギのようなもので、私たちは過去20年間、その層を剥がし続けてきました。しかし、まだ解決されていないもう一つの層が、数年後には私たちの動作を制限することになるでしょう。それは環境放射線です」と、論文の共著者であり、MIT電気工学准教授のウィリアム・オリバー氏は述べた。

量子コンピュータを保護する方法は複数あります。地下に建設することから、より放射線耐性の高い材料で回路を構成することまで、多岐にわたります。「ですから、決してゲームオーバーではありません。ただ、タマネギの次の層に取り組む必要があるだけです」とオリバー氏は付け加えました。®