Место для изучения кубитов, защищенное от воздействия космических лучей

Глубоко под землей в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми находится совершенно новый исследовательский центр квантовых датчиков и вычислений под названием «Тихий», а на поверхности — на высоте 100 метров — находится его близнец под названием «ГРОМКО».

Инфраструктура квантовых исследований является одной из первых в своем роде, действующей в Соединенных Штатах. Вместе TUIET и LOUD позволят проводить контролируемые эксперименты с квантовыми датчиками для прямого сравнения среды со значительно уменьшенным вмешательством космических лучей и окружающей средой на поверхности Земли.

Квантовая информация, хранящаяся в кубитах, хрупка: взаимодействия с окружающей средой приводят к декогерентности квантовых состояний и, в конечном итоге, к коллапсу в единое состояние. Поскольку на сверхпроводящие кубиты негативно влияют космические лучи и связанные с ними энергичные частицы, такие как мюоны, понимание того, как это влияет на эти хрупкие устройства, имеет решающее значение.

Полученные знания могут позволить исследователям лучше манипулировать и защищать квантовые состояния и даже способствовать дальнейшему спектру приложений, включая обнаружение темной материи.

Частицы высоких энергий воздействуют на сверхпроводящие кубиты

«Неудивительно, что когда одна из этих очень энергичных частиц — рентгеновские лучи, гамма-лучи или другой вид космических лучей — попадает в ваш кубит, она уничтожает всю информацию», — сказал учёный Фермилаба Аарон Чоу, руководитель направление «Квантовые устройства и датчики для научных открытий» Центра квантовых наук со штаб-квартирой в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики. Fermilab является партнером-учредителем QSC.

Из-за этих помех информация на квантовом чипе может быть уничтожена за доли секунды, в результате чего кубиты теряют информацию. По словам ученого Fermilab и члена QSC Дэниела Бакстера, это существенно ограничит крупномасштабные вычисления на квантовых компьютерах.

«Это пока не проблема, но мы увидим это в будущем», — сказал Бакстер. «Цель состоит в том, чтобы решить эту проблему до того, как мы туда доберемся, потому что мы знаем, что это будет ограничивающим фактором. Если мы решим ее заранее, мы расчистим для себя взлетно-посадочную полосу на пути к квантовым вычислениям».

Одна из целей QUIET — понять разницу между воздействием гамма-лучей, рентгеновских лучей, мюонов и бета-частиц на сверхпроводящие кубиты.

Существуют большие различия в том, как эти частицы взаимодействуют в материале. Например, бета-частица будет взаимодействовать с атомами на поверхности материала, а мюон пройдет сквозь нее, отдавая энергию на большее расстояние и глубже в материал. Однако в настоящее время мало что известно о нюансах взаимодействия этих частиц со сверхпроводящими кубитами.

Использование QUIET для понимания воздействия рассеянных частиц высокой энергии на сверхпроводящие кубиты может позволить исследователям построить новые модели, менее чувствительные к радиации.

Это исследование включает в себя взятие кубитов, которые были протестированы на поверхности, а затем перемещение их под землю, где поток мюонов и космических лучей намного меньше, чтобы определить, как изменяются их характеристики. Потенциальные новые модели могут работать одним из двух способов: исследователи могут либо сосредоточиться на защите кубитов от помех, либо спроектировать устройства, которые вообще не чувствительны к ним.

Приложения темной материи

В качестве альтернативы, использование кубитов в качестве датчиков для создания новых детекторов, сверхчувствительных к радиации, также может быть полезно для обнаружения темной материи.

В настоящее время обнаружение темной материи ограничено большинством методов, чувствительных только выше шкалы электрон-вольт, которая представляет собой энергию, получаемую при ускорении заряда электрона за счет разности потенциалов в один вольт. Эти новые сверхчувствительные квантовые датчики, способные обнаруживать энергию ниже эВ, могут позволить ученым протестировать более широкий набор теоретических моделей темной материи.

«Более чувствительный детектор, использующий сверхпроводящие кубиты, которые могут опускаться более чем в тысячу раз ниже шкалы эВ, позволит нам обнаружить запасы энергии, которые намного меньше, чем это возможно в текущих экспериментах с темной материей», — сказал Чоу.

«Это позволит нам обнаружить темную материю меньшей массы, потому что легче обнаружить, что вас сбил товарный поезд, чем мяч для пинг-понга».

Глубоко под землей

QUIET был создан в рамках Национальной квантовой инициативы. Подземное пространство, которое он использует, изначально было создано Фермилабом для экспериментов с нейтрино. Когда лучи включены, находиться в нейтринных пучках безопасно, а предоставленное пространство можно использовать для других экспериментов.

«Подземные сооружения — довольно редкая и уникальная вещь, которой располагает Фермилаб, и Фермилаб использует это подземное пространство для передовой науки», — сказал Бакстер. Удобство QUIET также заметно по сравнению с другими подземными помещениями.

«Если я сижу в своем офисе, я могу оказаться под землей через 10 минут», — добавил Бакстер.

Ученые, занимающиеся квантовой и темной материей, по всему миру планируют аналогичные подземные установки для квантовых испытаний в глубоких шахтах. Например, ученые из Центра сверхпроводящих квантовых материалов и систем Фермилаба начали тестировать кубиты в лаборатории, построенной под горой Гран-Сассо в Италии. Хотя QUIET не так глубок, его доступность дает большое преимущество.

Кроме того, в других национальных лабораториях есть подземные помещения. QUIET обеспечивает снижение потока мюонов на 99% и дает ученым возможность использовать преимущества этого легкодоступного подземного ресурса для передовых научных исследований.

Будущее ТИХОГО

QUIET, на строительство которого ушло два с половиной года, в настоящее время находится на этапе ввода в эксплуатацию и должен быть введен в эксплуатацию в ближайшие несколько месяцев. Ученые установили и протестировали холодильник разбавления, необходимый для размещения сверхпроводящих кубитов. Они также создают радиочастотную электронику, которую сверхпроводящие кубиты используют для управления и считывания своих квантовых состояний.

Многие из отдельных компонентов исследовательского пространства, такие как холодильник и электроника, являются коммерческими предметами, которые были приобретены как ТИХО, так и ГРОМКО, чтобы обеспечить прямое индивидуальное сравнение.

«Для дебюта QUIET потребовалась значительная закулисная работа», — сказал директор QSC Трэвис Хамбл. «Эти усилия включали установку специальной охлажденной воды и электроэнергии в недавно построенном чистом помещении, а также другие разработки инфраструктуры».

«Это действительно захватывающая и быстро развивающаяся область, в которой постоянно выходят новые исследования и меняют дискуссию, и очень приятно, что Фермилаб является одним из главных игроков в такой актуальной и важной теме», — сказал Бакстер.