מיפוי מיקומם של מערכות דו-מצביות על פני משבושון טרנסמון מוליך-על

ציד פגמים נסתרים בשבבי קוונטים

מחשבים קוונטיים מוליכים-על מבטיחים להתמודד עם בעיות שמעיקות על המחשבים של היום, אך הם מוגבלים על ידי פגמים זעירים שמחלישים באופן שקט את ביצועיהם. המחקר הזה מציג כיצד למקם את המטרידים הללו, המכונים מערכות דו-מצביות, על פניו של סוג פופולרי של קיוביט, ועוזר למהנדסים לראות בדיוק אילו חלקים בשבב פוגעים באמינותו ביותר.

מדוע פגמים זעירים חשובים

בחומרים המוצקים שמרכיבים מעבד קוונטי, חלק מהאטומים אינם יושבים במקום אחד אלא יכולים להתקזז (tunnel) בין שתי עמדות סמוכות. כל פגם כזה מתנהג כמפסק זעיר עם שתי מצבים, הידוע כמערכת דו-מצבית. כאשר מפסקים אלה נושאים מטען, הם מתקשרים בעוצמה עם השדות החשמליים העדינים שאוגרים מידע בקיוביט מוליך-על. אם אנרגיית הקיוביט יכולה לעבור לפגם סמוך, המצב הקוונטי דוהה מהר יותר, ובכך מתקצר חייו היעילים של הקיוביט.

הפיכת קיוביטים לחיישנים מקומיים

החוקרים משתמשים בקיוביט מסוג טרנסמון, עיצוב נפוץ הבנוי מאי-מתכתי בצורת צלב שמחובר למישור הארקה מסביב דרך זוג מחברי ג'וזפסון. סביב מבנה זה הם תיכננו ארבעה רפידות מתכת נוספות שמשמשות כאלקטרודות שער. על ידי החלת מתחים סטטיים מחושבים על רפידות אלה, הם יוצרים שדות חשמליים מקומיים שמשנים בעדינות את התדרים הטבעיים של פגמים סמוכים. מאחר שכל פגם מגיב באופן שונה לכל שער, הקיוביט וסביבתו מתפקדים כאוסף חיישנים זעיר שיכול לזהות היכן ממוקם כל פגם בודד.

מיפוי פגמים לפי טביעת הרגל החשמלית שלהם

כדי לאתר פגם, הצוות משתמש תחילה בניסוי תזמון הנקרא ספקטרוסקופיית החלפה (swap spectroscopy). הם מעוררים את הקיוביט, מכוונים זמנית את התדר שלו, ואז מודדים כמה אנרגיה נותרת. כאשר תדירות הקיוביט תואמת את זו של פגם, אנרגיה מחליפה ביניהם והקיוביט מרפה מהר יותר, מה שמגלה את הפגם כעמעום בזמן החיים. חזרה על פעולה זו תוך סריקה של המתחים על כל אלקטרודת שער מראה כמה חזק כל פגם משתנה כאשר כל רפידה מטעינת. תבנית השינויים הזו משווה לאחר מכן לסימולציות מפורטות של השדות החשמליים סביב הקיוביט, מה שמאפשר לצוות לטריאנגולציה של המיקום הסביר ביותר של כל פגם על פני השבב.

איפה הפגמים באמת נמצאים

בעזרת שיטה זו החוקרים מיפו 55 פגמים מוצקים בודדים על משבושון טרנסמון יחיד. באופן מפתיע, כמעט שישים אחוז מהפגמים המטרידים התרכזו בקרבת הובלות הצירים הצרות של מחברי הג'וזפסון, אף שהרוב של שטח השבב ואנרגיית השדה החשמלי נמצאים ברפידות הקבל הגדולות ומישור ההארקה. הניתוח מציע כי צפיפות הפגמים גבוהה בערך פי שניים בקרבת הובלות החיבור מאשר על המשטחים הרחבים יותר של המתכת. הדבר מרמז שתהליך ייצור השבב עצמו — ובמיוחד טכניקת ה-lift-off שבה משתמשים לדפוס חיווט המחבר — מהווה מקור סביר לשיוך עודף, שאריות וחדות שגורמות להתגבשות פגמים.

הנחיה לשיפור חומרת קוונטים

על-ידי הצגת לא רק כמה פגמים קשורים לקיוביט אלא גם היכן הם השכיחים ביותר, העבודה הזו נותנת למעצבי שבבים כלי חדש למקד את מאמציהם. התוצאות מדברות בעד תהליכים נקיים ועדינים יותר בקרבת הובלות החיבור, בעיצוב חוטים שמפזרים את השדות החשמליים, ובשימוש באלקטרודות על-גבי השבב לדחוף את הפגמים המזיקים ביותר הרחק מתדרי הקיוביט. בפשטות, המחקר מציע מפה של נקודות הבעייתיות ביותר על שבב קוונטי ומציע דרכים מעשיות להשיג קיוביטים רגועים ועמידים יותר לאורך זמן.

ציטוט: 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

מילות מפתח: קיוביטים מוליכים-על, מערכות דו-מצביות, דה-קוונטים (דקדול קוונטים), מחברי ג'וזפסון, ייצור חומרה קוונטית