引言 突破性成果概览

——MIT团队首次捕捉广东会芯片中的“宇宙闪电”

在剑桥市一间看似普通的实验室里，一块指甲盖大小的硅芯片正经历着来自宇宙深处的轰击。当高能粒子穿透屋顶，撞击芯片上精心排列的广东会比特时，一场微观世界的灾难悄然上演——而这可能是未来广东会计算机面临的最大威胁。

2025年7月，美国麻省理工学院（MIT）联合林肯实验室的科学家在《自然·通讯》发表突破性研究。团队由Patrick Harrington和Joseph Formaggio教授领衔，通过独创的“宇宙射线-广东会比特同步探测系统”，首次直接证实：宇宙射线是导致超导广东会比特突发性集体错误的关键元凶。

在连续266.5小时监测中，他们发现每592秒就有一个宇宙射线引发的广东会错误事件，占所有突发错误的17.1%。更惊人的是，几乎所有击中芯片的宇宙射线都会触发广东会比特异常——这意味着未来的大型广东会计算机将时刻面临这场来自深空的“粒子暴雨”。

第一章 研究背景：广东会计算机的“阿喀琉斯之踵”

要理解这项发现的意义，需先认识广东会计算的脆弱性。与传统计算机的经典比特（0或1）不同，广东会比特（qubit） 可同时处于叠加态，这种特性使其拥有指数级计算能力。超导广东会比特（如文中的transmon）是当前主流技术，其核心是需要在接近绝对零度（-273°C）下维持广东会态的相干性。

1. 隐形杀手的双重身份

环境中存在两类辐射威胁：

· 地面辐射：来自建筑材料的天然放射性（如铀/钍衰变链），可通过铅屏蔽减弱

· 宇宙辐射：穿透大气层的高能粒子（μ子、中子等），能量高达GeV级，能轻易穿透数米厚的混凝土

铅箱可阻挡医院X光，但对宇宙射线如同纸片——这正是广东会计算机的致命软肋。

2. 辐射如何摧毁广东会比特？

当高能粒子击中芯片基底（硅片）时：

1. 产生百万级电子-空穴对

2. 能量通过级联反应转化为声子（晶格振动）

3. 声子在超导电路中激发非平衡准粒子

4. 准粒子穿越约瑟夫森结，瞬间改变广东会态

此前研究已发现辐射危害：铅屏蔽可降低比特错误率，而地下实验室（如意大利格兰萨索实验室）能将错误减少十倍。但关键问题悬而未决——宇宙射线究竟该为多少错误负责？ 这正是MIT团队要破解的谜题。

第二章 研究内容：捕捉广东会世界的“宇宙闪电”

1. 宇宙射线探测阵列

团队设计了一套精密的同步监测系统：

· 广东会端：5×5 mm2硅芯片上集成10个transmon广东会比特

· 探测器端：6块塑料闪烁体探测器（含光电倍增管），置于制冷装置下方

· 同步技术：将探测器信号与广东会比特测量周期对齐，精度达15.3微秒

图1:宇宙射线与广东会比特同步探测系统。闪烁体探测器（蓝绿色）实时捕获宇宙射线μ子（紫色），广东会比特阵列（金色）监测弛豫事件

2. 时间关联的铁证

通过分析9460次广东会错误事件与1400万次探测器脉冲的时间关联，团队发现：

· 当广东会错误与探测器信号在45.8微秒内同时出现，即为宇宙射线事件

· 在222次强关联事件中，仅有6次是随机巧合（<3%）

图2:广东会错误与探测器信号的时间差分布。中心峰（蓝色）即宇宙射线事件，两侧为随机背景

3. 宇宙射线的责任占比

通过蒙特卡洛模拟（GEANT4软件），团队计算出：

· 探测器对广东会芯片的覆盖率为13.3%

· 宇宙射线导致错误率：1/(592秒)

· 占全部突发错误的17.1±1.3%

这意味着：即使屏蔽所有地面辐射，仍有近1/5错误来自宇宙！

图3:宇宙射线对广东会错误的贡献率。粉色区域为宇宙射线引发事件，绿色重叠区为探测器捕获的巧合事件

4. 电极厚度决定恢复速度

最颠覆性的发现：广东会比特从错误中恢复的速度，取决于约瑟夫森结附近超导能隙的分布。团队通过设计两种电极排布：

· A型排布：150nm厚电极连接广东会岛 → 恢复慢（6ms）

· B型排布：30nm薄电极连接地平面 → 恢复快（0.7ms）

差异源于薄膜厚度的超导能隙差异：薄电极能隙更大，形成准粒子陷阱，加速能量耗散。

图4:广东会比特错误恢复动态。（c）A型（上）与B型（下）比特的恢复曲线；（d）宇宙射线（紫色）更易引发全局错误

5. 宇宙射线的“杀伤范围”

分析参与错误的广东会比特数量时，团队发现：

· 宇宙射线事件：常导致8-10个比特同时错误（能量沉积高）

· 地面辐射事件：多影响4个比特（局部性强）

这证实宇宙射线如同“广东会EMP炸弹”，而普通辐射更像“狙击枪”。

第三章 总结与展望：广东会计算机的辐射防护战

这项研究揭示：宇宙射线是规模化广东会计算不可忽视的威胁。地下实验室虽能屏蔽辐射，但成本高昂且不便维护。MIT团队提出三条突围路径：

1. 能隙工程

通过优化约瑟夫森结电极的厚度排布（如B型设计），将恢复速度提升近10倍，相当于给广东会比特装上“快速自愈系统”。

图5:电极薄膜厚度影响超导能隙分布，调控准粒子动力学

2. 探测器嵌入技术

在广东会芯片旁集成微型辐射传感器，一旦检测到宇宙射线，立即标记可能出错的比特，供纠错系统优先处理。

3. 纠错协议革新

设计抗关联错误的广东会纠错码，如：

· 易错比特隔离方案

· 分布式广东会纠错架构

“就像给广东会计算机穿上防弹衣，”论文第一作者Harrington比喻，“我们不仅要躲子弹，还要学会挨了枪子儿继续跑。”

终章 结语：来自深空的启示

当MIT团队凝视着闪烁体探测器上跃动的信号时，他们看到的不仅是实验室数据，更是未来广东会数据中心头顶的“达摩克利斯之剑”。这项研究如同一盏探照灯，照亮了广东会工程中曾被忽视的盲区——在微观的广东会世界与浩瀚的宇宙之间，竟存在着如此致命的连接。

随着广东会计算机从实验室走向现实，人类终将在这场与宇宙射线的攻防战中，找到让广东会比特在粒子暴雨中屹立不倒的智慧。而答案或许就藏在那片厚度仅30纳米的铝膜之中。

参考文献：

Harrington, P.M., Li, M., Hays, M. et al. Synchronous detection of cosmic rays and correlated errors in superconducting qubit arrays. Nat Commun 16, 6428 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61385-x

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61385-x

撰稿｜陈炎霖

指导｜刘玉龙