Учёные из Китая нашли способ минимизировать одну из самых серьёзных проблем для квантовых вычислительных систем — влияние космического излучения. Известно, что потоки частиц из космоса вызывают сбои в работе кубитов, устранение которых значительно сложнее, чем исправление ошибок в традиционных компьютерах. Китайским специалистам удалось доказать прямую зависимость между космическими лучами и неполадками в квантовых битах и предложить практический метод компенсации подобных сбоев. Более того, этот же подход может использоваться для изучения космических частиц и даже для попыток обнаружения тёмной материи.

Кубиты — ключевой элемент квантовых компьютеров — крайне чувствительны к внешним физическим факторам: вибрациям, электромагнитным полям и в особенности высокоэнергетическим частицам, включая мюоны и гамма-излучение. Чтобы оценить, как именно эти частицы влияют на стабильность квантовых вычислений, специалисты из Пекинской академии квантовой информатики и партнёрских научных центров разработали экспериментальную установку. Она объединила 63-кубитовый сверхпроводящий процессор с датчиками для фиксации мюонов и гамма-фотонов.

Датчики расположили прямо под квантовым процессором, что позволило точно отслеживать момент попадания частиц и их влияние на работу кубитов. В ходе экспериментов выяснилось, что примерно раз в минуту кубиты реагировали на мюоны — частицы, которые формируются при распаде космических лучей в атмосфере. Гамма-излучение оказывало ещё большее воздействие: оно стало причиной более 80% всех зафиксированных сбоев.

Исследователи наблюдали изменение так называемой зарядовой чётности в кубитах. Проникающие частицы нарушали куперовские пары электронов в сверхпроводящем материале, превращая их в квазичастицы. Это вызывало всплески квазичастиц, которые напрямую связаны с потерей стабильности квантового состояния.

Частичная защита — например, обшивка свинцом — смогла снизить влияние гамма-фотонов, но мюоны продолжали беспрепятственно проникать в установку. В теории решение заключается в размещении квантовых процессоров глубоко под землёй, где космические частицы практически не достигают оборудования. Однако такой подход затруднит массовое распространение квантовых вычислений.

Альтернативное решение — создание алгоритмов, способных автоматически корректировать ошибки, вызванные попаданием частиц. В некоторых случаях мюонные датчики могут просто временно отключать те части процессора, которые подверглись сбою. Такой подход потребует усложнения архитектуры квантовых машин, но позволит использовать их без строительства подземных лабораторий.

Ещё один важный аспект заключается в том, что результаты китайских экспериментов ставят под сомнение устойчивость перспективных квантовых технологий на фермионах Майораны. В частности, Microsoft сообщала о работе над прототипом процессора Majorana 1, который использует квазичастицы, имитирующие фермионы Майораны — гипотетические частицы, которые должны обеспечить надёжную работу кубитов. Китайские учёные показали, что даже такие системы подвержены сбоям от космического излучения, что требует более детального изучения технологии и проверки заявленных возможностей.

Отдельный интерес представляет использование разработанных установок не только для защиты квантовых вычислений, но и для детектирования новых частиц, ещё не описанных современной физикой. Это открывает путь к поискам таинственной тёмной материи с помощью квантовых технологий — и это уже отдельное направление для будущих исследований.