Kartierung der Positionen von Zwei-Niveau-Systemen auf der Oberfläche eines supraleitenden Transmon-Qubits

Auf der Jagd nach verborgenen Fehlern in Quantenchips

Supraleitende Quantencomputer versprechen, Probleme zu lösen, die heutige Rechner überfordern, doch sie werden von winzigen Fehlern ausgebremst, die ihre Leistung stillschweigend mindern. Diese Studie zeigt, wie sich diese Störenfriede — sogenannte Zwei-Niveau-Systeme — auf der Oberfläche eines verbreiteten Qubit-Typs lokalisieren lassen und hilft Ingenieuren zu erkennen, welche Stellen eines Chips die Zuverlässigkeit am stärksten beeinträchtigen.

Warum winzige Defekte wichtig sind

In den festen Materialien eines Quantenprozessors sitzen manche Atome nicht fest an einem Ort, sondern können zwischen zwei benachbarten Positionen tunneln. Jeder solche Defekt verhält sich wie ein winziger Schalter mit zwei Zuständen, ein sogenanntes Zwei-Niveau-System. Tragen diese Schalter Ladung, wechseln sie stark mit den empfindlichen elektrischen Feldern, die Informationen in einem supraleitenden Qubit speichern. Wenn die Energie eines Qubits in einen nahegelegenen Defekt fließen kann, verblasst der Quantenzustand schneller und die nutzbare Lebensdauer des Qubits verkürzt sich.

Qubits als lokale Sensoren einsetzen

Die Forschenden verwenden ein Transmon-Qubit, ein weit verbreitetes Design, das aus einer kreuzförmigen Metallinsel besteht, die über ein Paar Josephson-Kontakte mit einer umgebenden Massefläche verbunden ist. Um diese Struktur herum sind vier zusätzliche Metallpads als Gate-Elektroden angeordnet. Durch das Anlegen sorgfältig gewählter statischer Spannungen an diese Pads erzeugen sie lokale elektrische Felder, die die Eigenfrequenzen nahegelegener Defekte sanft verschieben. Da jeder Defekt unterschiedlich auf jedes Gate reagiert, werden das Qubit und seine Umgebung effektiv zu einem winzigen Sensornetzwerk, das die Position einzelner Defekte erfassen kann.

Defekte über ihre elektrische Signatur kartieren

Um einen Defekt zu finden, nutzt das Team zunächst ein Zeitexperiment namens Swap-Spektroskopie. Sie regen das Qubit an, stimmen seine Frequenz kurz ab und messen dann, wie viel Energie verbleibt. Wenn die Frequenz des Qubits mit der eines Defekts übereinstimmt, tauschen sie Energie aus und das Qubit entspannt schneller, was den Defekt als Einbruch in der Lebensdauer sichtbar macht. Wiederholt man dies und variiert die Spannungen an jedem Gate, zeigt sich, wie stark sich der jeweilige Defekt bei jedem Pad verschiebt. Das Muster dieser Verschiebungen wird dann mit detaillierten Computersimulationen der elektrischen Felder um das Qubit verglichen, sodass das Team den wahrscheinlichsten Ort jedes Defekts auf der Chip-Oberfläche triangulieren kann.

Wo die Defekte tatsächlich sitzen

Mithilfe dieser Methode kartierten die Forschenden 55 einzelne Oberflächendefekte auf einem einzigen Transmon-Qubit. Überraschenderweise konzentrierten sich fast sechzig Prozent der störenden Defekte in der Nähe der schmalen Zuleitungen der Josephson-Kontakte, obwohl sich die meiste Chip-Fläche und die meiste elektrische Feldenergie in den großen Kondensatorpads und der Massefläche befinden. Die Analyse deutet darauf hin, dass die Defektdichte in der Nähe der Junction-Leads etwa doppelt so hoch ist wie auf den breiteren Metallflächen. Das weist auf den Fertigungsprozess des Chips hin — insbesondere die Lift-off-Technik zur Musterung der Junction-Verkabelung — als wahrscheinliche Quelle zusätzlicher Unordnung, Rückstände und Rauigkeit, die die Bildung von Defekten begünstigen.

Hinweise für bessere Quantenhardware

Indem die Arbeit nicht nur zeigt, wie viele Defekte mit einem Qubit koppeln, sondern genau wo sie am häufigsten auftreten, liefert sie Chip-Designern ein neues Werkzeug zur Fokussierung ihrer Bemühungen. Die Ergebnisse sprechen für saubere und schonendere Prozesse in der Nähe der Junction-Leads, für die Gestaltung von Leitungen, die elektrische Felder verteilen, und für den Einsatz von On-Chip-Elektroden, um die schädlichsten Defekte von Qubit-Frequenzen wegzuschieben. Einfach gesagt bietet die Studie eine Karte der schlimmsten Problemzonen auf einem Quantenchip und schlägt praktische Wege zu ruhigeren, langlebigeren Qubits vor.

Zitation: Lisenfeld, J., Händel, A.K., Daum, E. et al. Mapping the positions of Two-Level-Systems on the surface of a superconducting transmon qubit. npj Quantum Inf 12, 80 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01272-5

Schlüsselwörter: supraleitende Qubits, Zwei-Niveau-Systeme, Quanten-Desocherenz, Josephson-Kontakte, Herstellung von Quantenhardware