ספקטרוסקופיית הרפיה לא-מרקוביאנית של קיוביטים מסוג fluxonium

מדוע פגמים זעירים חשובים למחשבים קוונטיים

מחשבים קוונטיים מבטיחים לפתור בעיות מסוימות מהר יותר בהרבה ממחשבים של היום, אך היחידות הבסיסיות שלהם — קיוביטים — שבירות. מאמר זה חוקר מדוע כמה מהקיוביטים המוליכי-על המובילים בביצועים, המכונים fluxonium, מאבדים אנרגיה לעתים בדרך הזכורה את העבר שלהם. המחברים מראים כי פגמים מיקרוסקופיים נסתרים בחומר יכולים לאחסן ולשחרר אנרגיה על פני מילישניות, להפריע בעדינות לקיוביט ולאתגר שיטות סטנדרטיות למדידה ושיפור חומרת הקוונטים.

האשמים הנסתרים בתוך מעגלים מוליכי-על

בתמונות הפשטניות שבספרים, קיוביט נמצא בסביבה חסרת מאפיינים ששוכחת מיד כל אינטראקציה, ולכן דעיכת האנרגיה שלו נראית כעקומה אקספוננציאלית פשוטה וחלקה. במציאות המכשירים מסורבלים יותר. בשכבות הזכוכית הדקות של תחמוצת אלומיניום שמשמשות לבניית מעגלים מוליכי-על, פזורים אינספור פגמים בקנה מידה אטומי שיכולים להתנהג כמערכות זעירות בעלות שתי מצבים. כל אחת מ"מערכות שתי-המצבים" הללו יכולה להחליף אנרגיה עם קיוביט ואז להרפא לאט, ולפעול כאלמנט זיכרון מיקרוסקופי בסביבה. מחקרים קודמים רמזו שאלה יכולים להיות בעלי זמני חיים אפילו ארוכים יותר מזה של הקיוביט עצמו, אך מדידות זמן-חיים סטנדרטיות מניחות סביבה שוכחת ועלולות לפספס בקלות את הזיכרון הנסתר הזה.

דרך חדשה להאזין לשעונים בשני קצבים

המחברים מציגים שיטת מדידה שהם קוראים לה רלקסומטריה בשני סקאלות זמן, שמיועדת לעקוב גם אחר הקיוביט וגם אחר סביבתו באותו זמן. במקום להכין את הקיוביט פעם אחת ולצפות בדעיכתו, הם מאפסים ומודדים את הקיוביט שוב ושוב בקטעים קצרים דמויי T1 בעודם מכוונים במכוון את הפגמים הסובבים לכיוון רמות אנרגיה גבוהות או נמוכות לאורך תקופה ארוכה בהרבה. על ידי התאמת הקצב שבו הקיוביט מרפה בתחילת כל קטע קצר, ואז מעקב אחר הסטייה של קצב נראה זה על פני עשרות מילישניות, הם יכולים לזהות נפרד קוטב דעיכת קיוביט מהירה וסידורים איטיים באמבטיית הפגמים. באופן מכריע, הפרוטוקול הזה פועל גם כאשר קריאת הקיוביט אינה מושלמת ומהולה בהפרעה, מה שהופך אותו מתאים להגדרות ניסוייות טיפוסיות.

מה הם מגלים בתוך קיוביטי fluxonium

בהפעלת השיטה על קיוביטי fluxonium עם קוהרנטיות גבוהה הפועלים בתדרים נמוכים באופן בלתי שגרתי (כ־0.1–0.4 גיגה-הרץ), הצוות חושף יער של פגמים דיסקרטיים שטביעות האצבע שלהם מופיעות כשיאים חדים בספקטרום הרפיית הקיוביט. רבים מהפגמים הללו שומרים על אנרגיה למשך מילישניות, אך מאבדים קוהרנטיות פאזה במהירות, ולכן מחליפים אנרגיה עם הקיוביט בצורה רועשת ולא קוהרנטית במקום תנודות נקיות. בהשוואת הספקטרות הנצפות עם סימולציות מחשב של שדה החשמל בתוך המעגלים, המחברים מסיקים שהפגמים הדומיננטיים סביר שגרים במחסומי המנהרה של שרשרת ארוכה של צמתים של ג’וזפסון היוצרת את הסופר-אינדוקטיביות של ה‑fluxonium, ולא על פני משטחים רחבים יותר של השבב.

תכונות הפגמים בין מכשירים ועיצובים

החוקרים ביצעו מדידות דומות על מכשיר fluxonium שני שבנוי בארכיטקטורה מישורית ולשם מצאו שוב בערך תריסר פגמים חזקים עם זמני חיים הנעים ממאות מיקרו־שניות ועד מילישניות. ממספר וחוזק הרזוננסים הנצפים הם מסיקים כי לפגמים אלה צפיפות שטח ורגעי דיפול חשמלי הדומים באופן מפתיע לאלה שתוארו עבור פגמים בתחמוצת האלומיניום בתדרי מיקרו־גל הרבה יותר גבוהים. הדבר מרמז על מקור פיזיקלי משותף החורג כמעט על פני שני עשורים בתדר. במקביל, האובדן הרקע משכבות דיאלקטריות קונבנציונליות נראה נמוך מספיק כך שלאורח רפיון רזוננסי, fluxonium עשויים להשיג באופן שגרתי זמני חיים בסדר המילישנייה או טובים יותר.

השלכות על חומרת קוונטים עתידית

בסך הכל, המחקר מצייר תמונה מדכאת אך פרקטית: הגורם המגביל לקיוביטי fluxonium אינו אובדן חומרי גנרי, אלא נוף צפוף של פגמים מיקרוסקופיים ארוכי-חיים המוטמעים בשרשראות הצמתים. מאחר שפגמים אלה מציגים דינמיקה איטית התלויה בהיסטוריה, הם מקשים על מאמצים לייצב ולשכפל עיצובים של קיוביטים מוגנים מרעש המבוססים על מערכי צמתים ארוכים או על רכיבי התנגדות-גבוהה אחרים. המחברים טוענים כי הקטנת צפיפות הפגמים באוקסידים של הצמתים, או החלפת שרשראות הצמתים במבני אינדוקטיביות חלופיים בעלי אובדן נמוך, תהיה חיונית לשיפור נוסף של הקוהרנטיות. במקביל, שיטת הרלקסומטריה בשני סקאלות זמן שלהם מספקת כלי מעשי לגילוי שוטף של התנהגות לא-מרקוביאנית בקיוביטים מסוגים רבים, ועוזרת למהנדסים לאבחן ולבסוף להכיל את הזיכרונות הנסתרים במכשירים קוונטיים.

ציטוט: 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

מילות מפתח: קיוביטים fluxonium, מערכות בעלות שתי רמות, הרפיה לא-מרקוביאנית, מעגלים קוונטיים מוליכי-על, דה-קוהרנטיות של קיוביטים