Spettroscopia di rilassamento non-Markoviana di qubit fluxonium

Perché i difetti microscopici sono importanti per i computer quantistici

I computer quantistici promettono di risolvere certi problemi molto più velocemente delle macchine odierne, ma le loro unità fondamentali di informazione — i qubit — sono fragili. Questo articolo esplora perché alcuni dei qubit superconduttori con le migliori prestazioni, detti fluxonium, talvolta perdono energia in modo che conserva memoria del passato. Gli autori mostrano che difetti microscopici nascosti nel materiale possono immagazzinare e rilasciare energia per millisecondi, perturbando sottilmente il qubit e mettendo in crisi i metodi standard per misurare e migliorare l’hardware quantistico.

Colpevoli nascosti all’interno dei circuiti superconduttori

Nelle rappresentazioni dei manuali il qubit è immerso in un ambiente privo di caratteristiche che dimentica istantaneamente ogni interazione, perciò il decadimento energetico appare come una semplice curva esponenziale. I dispositivi reali sono più complessi. Nei sottili strati vetrosi di ossido di alluminio usati per costruire i circuiti superconduttori, innumerevoli difetti a scala atomica possono comportarsi come piccoli sistemi a due stati. Ognuno di questi “sistemi a due livelli” può scambiare energia con un qubit e poi rilassarsi molto lentamente, agendo come una sorta di elemento di memoria microscopico nel materiale circostante. Lavori precedenti suggerivano che tali difetti possano avere tempi di vita persino più lunghi di quello del qubit, ma le misure standard della vita media assumono un ambiente che dimentica e possono facilmente non rilevare questa memoria nascosta.

Un nuovo modo per ascoltare su due scale temporali

Gli autori introducono un metodo di misura che chiamano relaxometria a due scale temporali, pensato per seguire simultaneamente qubit e ambiente. Invece di preparare il qubit una sola volta e osservarne il decadimento, resettano e misurano ripetutamente il qubit in molti brevi snippet analoghi a T1 mentre spingono deliberatamente i difetti circostanti verso energie più alte o più basse su un periodo molto più lungo. Adattando la velocità con cui il qubit si rilassa inizialmente durante ciascun breve snippet e osservando poi come questo tasso apparente deriva su decine di millisecondi, possono distinguere separatamente il decadimento rapido del qubit e i riarrangiamenti lenti del bagno di difetti. In modo cruciale, questo protocollo funziona anche quando la lettura del qubit è imperfetta e in parte perturbativa, rendendolo adatto ai tipici impianti sperimentali.

Cosa trovano all’interno dei qubit fluxonium

Applicando questo metodo a qubit fluxonium ad alta coerenza che operano a frequenze insolitamente basse (circa 0,1–0,4 gigahertz), il team scopre una fitta foresta di difetti discreti le cui impronte appaiono come picchi netti nello spettro di rilassamento del qubit. Molti di questi difetti trattengono energia per millisecondi, ma perdono rapidamente coerenza di fase, quindi scambiano energia con il qubit in modo rumoroso e incoerente piuttosto che con oscillazioni pulite. Confrontando gli spettri osservati con simulazioni al calcolatore del campo elettrico all’interno dei circuiti, gli autori concludono che i difetti dominanti probabilmente risiedono nelle barriere di tunneling della lunga catena di giunzioni di Josephson che forma la superinduttanza del fluxonium, piuttosto che sulle superfici più ampie del chip.

Proprietà dei difetti tra dispositivi e progetti

I ricercatori eseguono misure analoghe su un secondo dispositivo fluxonium costruito con un’architettura planare e trovano nuovamente circa una dozzina di difetti marcati con tempi di vita che vanno da centinaia di microsecondi a millisecondi. Dal numero e dalla forza delle risonanze osservate inferiscono che questi difetti hanno densità areali e momenti dipolari elettrici sorprendentemente simili a quelli riportati per difetti dell’ossido di alluminio a frequenze microonde molto più alte. Ciò suggerisce un’origine fisica comune che si estende su quasi due decadi di frequenza. Allo stesso tempo, la perdita di fondo dovuta a superfici dielettriche più convenzionali sembra sufficientemente bassa che, in assenza di difetti risonanti, i fluxonium potrebbero regolarmente raggiungere tempi di vita dell’ordine del millisecondo o migliori.

Implicazioni per l’hardware quantistico futuro

Nel complesso, lo studio dipinge un quadro sobrio ma praticabile: il fattore limitante per i qubit fluxonium non è la perdita materiale generica, ma un paesaggio denso di difetti microscopici a lunga vita incorporati nelle catene di giunzioni. Poiché questi difetti introducono dinamiche lente e dipendenti dalla storia, complicano gli sforzi per stabilizzare e scalare design di qubit protetti dal rumore che si basano su lunghe reti di giunzioni o altri elementi ad alta impedenza. Gli autori sostengono che ridurre la densità di difetti negli ossidi delle giunzioni, o sostituire le catene di giunzioni con strutture induttive alternative a bassa perdita, sarà essenziale per ulteriori miglioramenti nella coerenza. Allo stesso tempo, il loro metodo di relaxometria a due scale temporali offre uno strumento pratico per rilevare routinariamente il comportamento non-Markoviano in qubit di vario tipo, aiutando gli ingegneri a diagnosticare e infine domare le memorie nascoste nei dispositivi quantistici.

Citazione: 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

Parole chiave: qubit fluxonium, sistemi a due livelli, rilassamento non-Markoviano, circuiti quantistici superconduttori, decoerenza dei qubit