Abschirmung supraleitender Quanten-Geräte vor Strahlung

Strahlung ist ein Problem für Geräte, die als supraleitende Quantenkreise bekannt sind. Diese Kreise können mächtige Rechenaufgaben erledigen, aber Strahlung kann sie weniger effektiv machen. In diesem Artikel geht's um Möglichkeiten, den Einfluss von Strahlung auf diese Geräte zu begrenzen, insbesondere über Quellen der Radioaktivität und wie man Geräte davor abschirmen kann.

#Verständnis der Strahlungsquellen

Strahlung kommt aus vielen Quellen in der Umwelt. Für supraleitende Qubit-Geräte sind drei Hauptquellen von Strahlung besorgniserregend:

1. Kosmische Strahlung: Diese kommt von hochenergetischen Teilchen, die mit der Erdatmosphäre kollidieren. Diese Teilchen können sekundäre Strahlung erzeugen, wie Muonen, die Geräte beeinträchtigen können.

2. Terrestrische Gammastrahlen: Diese entstehen durch natürliche radioaktive Materialien im Boden und können in Labore eindringen.

3. Radioaktive Isotope in Materialien: Materialien, die für den Bau von Geräten verwendet werden, können ebenfalls Strahlung abgeben. Diese Isotope können je nach Reinheit des Materials und dem Herstellungsprozess variieren.

#Die Bedeutung der Umgebung

Supraleitende Qubits funktionieren am besten in kontrollierten Umgebungen, wo die Strahlungsniveaus niedriger sind. Wir können ihre Exposition gegenüber Strahlung reduzieren, indem wir sorgfältig auswählen, wo wir Experimente durchführen. Ein flacher Untergrundstandort kann kosmische Strahlen erheblich reduzieren. Ausserdem kann ein Bleischutz um die Geräte herum eingerichtet werden, um die Gammastrahlung, die sie erreicht, zu begrenzen.

#Gestaltung eines sicheren Labors

Um die Bedenken wegen Strahlung zu adressieren, wurde eine Einrichtung mit mehreren Merkmalen entworfen:

• Standort: Die neue Einrichtung ist unterirdisch gebaut, was kosmische Strahlung natürlich reduziert. Der unterirdische Standort liegt etwa 30 Meter unter dem Erdniveau. Diese Tiefe reduziert die Strahlenexposition erheblich im Vergleich zu Oberflächenstandorten.

• Abschirmung: Ein Bleischutz umgibt die Geräte, um Gammastrahlen zu blockieren. Das Blei absorbiert die Strahlung effektiv, bevor sie die supraleitenden Schaltungen erreichen kann.

#Erwartete Vorteile

Indem wir supraleitende Qubit-Geräte in dieser speziell gestalteten Einrichtung platzieren, erwarten wir eine erhebliche Verringerung der Fehlerquoten, die durch Strahlung verursacht werden. Erste Schätzungen deuten auf eine mögliche Reduzierung um etwa das 20-fache im Vergleich zu ungeschützten Einrichtungen über dem Boden hin.

#Bewertung der Strahlungsniveaus

Um herauszufinden, wie effektiv das neue Design ist, haben wir Computersimulationen verwendet, um die Strahlungsniveaus vorherzusagen. Mit einem Modell des Labors konnten wir visualisieren, wie Strahlung mit den Geräten darin interagiert.

#Simulationsdetails

• Kosmische Strahlen: Das Modell berücksichtigt die Wahrscheinlichkeit, dass kosmische Strahlungsteile in die Einrichtung eindringen und die Geräte treffen.

• Gammastrahlung: Das Design der Einrichtung integriert die erwartete Gammastrahlung, die von umgebenden Materialien ausgeht, was gezielte Abschirmung ermöglicht.

• Interne Hintergrundstrahlung: Wir berücksichtigen auch die Strahlung von Materialien, die in den Geräten selbst verwendet werden.

#Messung der Strahlungswirkung

Mit Simulationen können wir schätzen, wie oft die Strahlung mit den Qubit-Geräten interagiert:

1. Interaktionsraten: Wir berechnen, wie viele Hochenergieinteraktionen in den Geräten auftreten. Das ist entscheidend, weil diese Interaktionen zu Rechenfehlern führen können.

2. Vergleich der Umgebungen: Indem wir unser neues Labor-Setup mit älteren, ungeschützten Designs vergleichen, können wir den Erfolg unseres Ansatzes zur Reduzierung der Strahlungseffekte und zur Verbesserung der Geräteleistung bestimmen.

#Umgang mit internen Strahlungsquellen

Interne Strahlungsquellen sind ein wichtiger Aspekt des Strahlungsmanagements. Es ist wichtig, Komponenten, die höhere Strahlungsniveaus abgeben könnten, durch reinere Materialien zu ersetzen. Zum Beispiel kann die Verwendung von hochreinen Metallen die Strahlenexposition erheblich reduzieren.

#Materialauswahl

Bei der Auswahl von Materialien für Geräte ist es wichtig, deren radioaktiven Gehalt zu berücksichtigen:

• Supraleitende Filme und Substrate: Diese Materialien sollten niedrige Strahlungsniveaus haben, um ihre Auswirkungen auf die Geräteleistung zu minimieren.

• Verbindungs Materialien: Die für Verbindungen zwischen Geräten verwendeten Materialien sollten ebenfalls sorgfältig ausgewählt werden. Zum Beispiel können einige gängige Verbindungs Materialien mehr Strahlung abgeben als Alternativen.

#Praktische Massnahmen

Um die Situation weiter zu verbessern, können wir mehrere Strategien umsetzen:

1. Echtzeitüberwachung: Regelmässige Überprüfung der Strahlungsniveaus im Labor kann helfen, unerwartete Anstiege der Strahlenexposition zu identifizieren.

2. Materialtests: Tests von Materialien auf ihren radioaktiven Gehalt vor der Verwendung können verhindern, dass unerwünschte Strahlung die Geräte beeinträchtigt.

3. Verbesserung der Designs: Die kontinuierliche Verbesserung des Designs von Geräteverpackungen und ihren Unterstützungs system kann helfen, die Exposition gegenüber Strahlung zu verringern.

#Zukünftige Forschungsrichtungen

Es bedarf weiterer Forschung, um unser Verständnis darüber zu erweitern, wie man supraleitende Geräte am besten vor Strahlung schützt. Dazu gehört:

• Untersuchung neuer Materialien, die besseren Schutz oder reduzierte Emissionen bieten könnten.
• Erforschung alternativer Designs für die Geräteverpackung, die die Strahlenexposition effektiver begrenzen.
• Durchführung detaillierterer Studien zur quantitativen Bestimmung der genauen Auswirkungen von Strahlung auf die Geräteleistung.

#Fazit

Strahlung stellt eine bedeutende Herausforderung für supraleitende Quanten Geräte dar. Doch mit sorgfältigem Design und Materialauswahl können wir Umgebungen schaffen, die die Strahlenexposition erheblich reduzieren. Die in diesem Artikel skizzierten Strategien versprechen nicht nur eine Verbesserung der Leistung von Quanten Geräten, sondern tragen auch zum breiteren Bereich des Quanten Computing bei. Indem wir weiterhin diese Strategien erkunden und umsetzen, können wir das volle Potenzial supraleitender Quanten Technologien ausschöpfen.