Espectroscopía de relajación no markoviana de qubits fluxonium

Por qué importan los defectos diminutos en los ordenadores cuánticos

Los ordenadores cuánticos prometen resolver ciertos problemas mucho más rápido que las máquinas actuales, pero sus unidades básicas de información —los qubits— son frágiles. Este artículo explora por qué algunos de los qubits superconductores de mejor rendimiento, llamados qubits fluxonium, a veces pierden energía de un modo que recuerda su historia. Los autores muestran que fallos microscópicos ocultos en el material pueden almacenar y liberar energía silenciosamente durante milisegundos, perturbando sutilmente al qubit y cuestionando las formas estándar de medir y mejorar el hardware cuántico.

Culpables ocultos dentro de los circuitos superconductores

En la mayoría de los esquemas de libro de texto, un qubit está en un entorno sin rasgos que olvida instantáneamente cada interacción, de modo que su decaimiento de energía parece una curva exponencial simple y suave. Los dispositivos reales son más desordenados. En las delgadas capas vítreas de óxido de aluminio usadas para fabricar circuitos superconductores, innumerables defectos a escala atómica pueden comportarse como diminutos sistemas de dos estados. Cada uno de estos “sistemas de dos niveles” puede intercambiar energía con un qubit y luego relajarse muy despacio, actuando como una especie de elemento de memoria microscópico en el material circundante. Trabajos anteriores ya insinúan que tales defectos pueden tener vidas útiles incluso más largas que la del propio qubit, pero las mediciones estándar de tiempo de vida asumen un entorno olvidadizo y pueden pasar fácilmente por alto esta memoria oculta.

Una nueva manera de escuchar dos relojes a la vez

Los autores introducen un método de medición que llaman relajometría de dos escalas temporales, diseñado para seguir tanto el qubit como su entorno al mismo tiempo. En lugar de preparar el qubit una vez y observar su decaimiento, lo reinician y miden repetidamente en muchos fragmentos cortos tipo T1 mientras empujan deliberadamente los defectos circundantes hacia niveles de energía más altos o más bajos durante un periodo mucho más largo. Ajustando la rapidez con que el qubit se relaja inicialmente en cada fragmento corto, y observando después cómo esa tasa aparente deriva durante decenas de milisegundos, pueden identificar por separado la decadencia rápida del qubit y las reconfiguraciones lentas del baño de defectos. Crucialmente, este protocolo funciona incluso cuando la lectura del qubit es imperfecta y algo perturbadora, lo que lo hace adecuado para montajes experimentales típicos.

Lo que encuentran dentro de los qubits fluxonium

Aplicando este método a qubits fluxonium de alta coherencia que operan a frecuencias inusualmente bajas (alrededor de 0,1–0,4 gigahercios), el equipo descubre un bosque de defectos discretos cuyas huellas aparecen como picos agudos en el espectro de relajación del qubit. Muchos de estos defectos retienen energía durante milisegundos, sin embargo pierden coherencia de fase rápidamente, por lo que intercambian energía con el qubit de una manera ruidosa e incoherente en lugar de mediante oscilaciones limpias. Al comparar los espectros observados con simulaciones por ordenador del campo eléctrico dentro de los circuitos, los autores concluyen que los defectos dominantes probablemente residen en las barreras de túnel de la larga cadena de uniones Josephson que forma la superinductancia del fluxonium, en vez de en superficies más amplias del chip.

Propiedades de los defectos entre dispositivos y diseños

Los investigadores realizan mediciones similares en un segundo dispositivo fluxonium construido en una arquitectura planar y de nuevo encuentran aproximadamente una docena de defectos fuertes con vidas útiles que van desde cientos de microsegundos hasta milisegundos. A partir del número y la intensidad de las resonancias observadas, infieren que estos defectos tienen densidades superficiales y momentos dipolares eléctricos notablemente similares a los reportados para defectos de óxido de aluminio a frecuencias de microondas mucho más altas. Esto sugiere un origen físico común que abarca casi dos décadas en frecuencia. Al mismo tiempo, la pérdida de fondo procedente de superficies dieléctricas más convencionales parece lo bastante baja como para que, en ausencia de defectos resonantes, los fluxonium podrían alcanzar rutinariamente tiempos de vida en el rango de milisegundos o mejores.

Implicaciones para el hardware cuántico futuro

En conjunto, el estudio perfila una imagen sobria pero accionable: el factor que limita a los qubits fluxonium no es una pérdida genérica del material, sino un paisaje denso de defectos microscópicos de larga vida incrustados en las cadenas de uniones. Debido a que estos defectos introducen dinámicas lentas dependientes de la historia previa, complican los esfuerzos por estabilizar y escalar diseños de qubits protegidos contra el ruido que dependen de arreglos largos de uniones u otros elementos de alta impedancia. Los autores sostienen que reducir la densidad de defectos en los óxidos de las uniones, o reemplazar las cadenas de uniones por estructuras inductivas alternativas y de baja pérdida, será esencial para lograr mayores ganancias en coherencia. Al mismo tiempo, su método de relajometría de dos escalas temporales ofrece una herramienta práctica para detectar de forma rutinaria el comportamiento no markoviano en qubits de diversos tipos, ayudando a los ingenieros a diagnosticar y, en última instancia, domar las memorias ocultas en los dispositivos cuánticos.

Cita: Zhuang, ZT., Rosenstock, D., Liu, BJ. et al. Non-Markovian relaxation spectroscopy of fluxonium qubits. Nat Commun 17, 3209 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69910-2

Palabras clave: qubits fluxonium, sistemas de dos niveles, relajación no markoviana, circuitos cuánticos superconductores, decoherencia de qubits