超导量子比特阵列中宇宙射线与相关错误的同步检测及辐射硬化策略研究

研究人员针对宇宙射线(cosmic rays)导致超导量子比特(spatiotemporal correlated errors)相关错误的问题，通过同步监测闪烁探测器与10个transmon qubits的能量弛豫动力学，首次直接证实宇宙射线贡献了17.1±1.3%的相关错误事件，并发现约瑟夫森结附近的超导能隙(superconducting gap)结构显著影响恢复时间。该研究为量子纠错编码的辐射硬化设计提供了关键依据。

　　

在量子计算迈向实用化的道路上，超导量子比特的稳定性始终是核心挑战。尽管量子纠错编码(QEC)理论上可以解决随机错误，但近年来多个实验观察到难以解释的时空相关错误——这些突发性、多量子比特协同失效的事件，就像量子芯片上突然爆发的"微型风暴"，严重威胁着纠错系统的有效性。科学家们怀疑宇宙射线(cosmic rays)及其次级粒子可能是罪魁祸首，这些来自太空的高能粒子能穿透常规屏蔽，但此前从未被直接证实与量子错误存在因果关系。

为解开这个谜团，麻省理工学院(MIT)与林肯实验室的研究团队设计了一项开创性实验。他们将10个transmon qubits（一种超导量子比特）分布在5×5×0.35 mm³的硅芯片上，同时在低温恒温器下方部署六组闪烁探测器，构建起宇宙射线与量子比特异常的同步监测系统。这项发表在《Nature Communications》的研究首次实现了对宇宙射线诱导量子错误的直接观测，并揭示了超导能隙工程对错误恢复的关键影响。

研究团队运用三项核心技术：

1. 同步测量系统：通过精确时间戳关联闪烁探测器脉冲与量子比特能量弛豫率(1/Γ₁)突变事件
2. 蒙特卡洛模拟：采用GEANT4工具包计算宇宙射线与探测器/量子芯片的相互作用截面
3. 能隙工程：通过双角度蒸镀法制备具有非对称电极结构（30nm/150nm铝薄膜）的约瑟夫森结

【宇宙射线与量子比特错误的直接关联】
通过266.5小时的连续监测，研究人员捕获到222次量子比特弛豫事件与探测器脉冲的精确同步（时间窗口45.8μs）。经背景建模排除偶然巧合后，确认宇宙射线导致相关错误的速率为1/(592⁺⁴⁸_-41 s)，占所有时空相关事件的17.1±1.3%。

显示，宇宙射线事件在时间相关性上形成显著峰值。

【全响应特性与能量沉积】
研究发现量子比特阵列对宇宙射线呈现"全响应"特性——几乎所有入射到芯片的宇宙射线都会引发可检测事件。这与独立测量的宇宙射线通量(Φ=0.0133 s^-1 cm^-2)完美吻合。模拟显示，垂直放置的芯片截面(0.131 cm²)使宇宙射线平均沉积约300 keV能量，显著高于环境γ射线。

【能隙工程调控恢复动力学】
实验发现量子比特的恢复时间常数(τ)呈现双峰分布：当约瑟夫森结的厚电极(150nm铝，较小超导能隙)朝向地平面时恢复快(≈0.7ms)，而朝向transmon岛时恢复慢(≈6ms)。

证实，能隙差异(δΔ≈h×2.8GHz)通过Arrhenius因子e^-δΔ/k_BT调控准粒子(quasiparticle)隧穿速率，地平面中的涡旋和空气桥结构进一步加速准粒子捕获。

【错误的空间相关性】
宇宙射线事件更易引发全局响应（10个量子比特同时参与概率最高），而非宇宙射线源则多导致局部错误（4个量子比特参与为主）。这种空间模式的差异为错误溯源提供了新判据。

这项研究确立了宇宙射线作为量子相关错误的重要诱因，并提出通过能隙工程实现辐射硬化的新思路。Patrick M. Harrington等学者指出，相比难以实施的地下实验室方案，优化约瑟夫森结电极的超导能隙分布可能更切实有效。该发现对大规模量子纠错系统设计具有双重意义：一方面提示需要开发抗辐射的量子硬件（如准粒子陷阱、声子耗散层），另一方面为纠错算法适应突发错误提供了参数依据。随着量子处理器规模扩大，这种"芯片级宇宙天气监测"将成为保障量子计算可靠性的关键技术。