Mappare le posizioni dei sistemi a due livelli sulla superficie di un qubit transmon superconduttore

Cacciare i difetti nascosti nei chip quantistici

I computer quantistici superconduttori promettono di affrontare problemi che sopraffanno le macchine odierne, ma sono limitati da minuscoli difetti che riducono silenziosamente le loro prestazioni. Questo studio mostra come localizzare quei disturbatori, chiamati sistemi a due livelli, sulla superficie di un tipo popolare di bit quantistico, aiutando gli ingegneri a vedere esattamente quali parti di un chip danneggiano maggiormente l’affidabilità.

Perché i difetti minuscoli contano

Nei materiali solidi che compongono un processore quantistico, alcuni atomi non restano fermi in una sola posizione ma possono effettuare un tunneling tra due posizioni vicine. Ciascun difetto si comporta come un piccolo interruttore con due stati, noto come sistema a due livelli. Quando questi interruttori trasportano carica, interagiscono fortemente con i delicati campi elettrici che memorizzano informazione in un qubit superconduttore. Se l’energia di un qubit può trasferirsi in un difetto vicino, lo stato quantistico decade più rapidamente, accorciando la vita utile del qubit.

Trasformare i bit quantistici in sensori locali

I ricercatori utilizzano un qubit transmon, un progetto ampiamente usato costruito da un’isola metallica a forma di croce collegata a un piano di massa circostante tramite una coppia di giunzioni Josephson. Intorno a questa struttura hanno realizzato quattro pad metallici aggiuntivi che fungono da elettrodi di gate. Applicando tensioni statiche accuratamente scelte a questi pad, creano campi elettrici locali che spostano leggermente le frequenze naturali dei difetti vicini. Poiché ogni difetto risponde in modo diverso a ciascun gate, il qubit e l’ambiente circostante diventano effettivamente una piccola rete di sensori in grado di rilevare dove si trovano i singoli difetti.

Mappare i difetti tramite la loro impronta elettrica

Per trovare un difetto, il team usa innanzitutto un esperimento temporale chiamato swap spectroscopy. Eccitano il qubit, lo accordano brevemente in frequenza e poi misurano quanta energia rimane. Quando la frequenza del qubit corrisponde a quella di un difetto, l’energia si scambia tra i due e il qubit si rilassa più rapidamente, rivelando il difetto come un calo nella durata. Ripetendo questa procedura mentre si variano le tensioni su ciascun elettrodo di gate si ottiene quanto fortemente quel difetto si sposta quando ogni pad è polarizzato. Il modello di questi spostamenti viene quindi confrontato con dettagliate simulazioni al computer dei campi elettrici intorno al qubit, permettendo al team di triangolare la posizione più probabile di ciascun difetto sulla superficie del chip.

Dove vivono davvero i difetti

Con questo metodo i ricercatori hanno mappato 55 difetti superficiali individuali su un singolo qubit transmon. Sorprendentemente, quasi il sessanta percento dei difetti problematici si è concentrato vicino ai sottili conduttori delle giunzioni Josephson, nonostante la maggior parte dell’area del chip e dell’energia del campo elettrico si trovi nei grandi pad del condensatore e nel piano di massa. L’analisi suggerisce che la densità di difetti è circa il doppio vicino ai conduttori delle giunzioni rispetto alle superfici metalliche più ampie. Questo indica che il processo di fabbricazione del chip, in particolare la tecnica di lift-off usata per definire i collegamenti delle giunzioni, è una probabile fonte di disordine aggiuntivo, residui e rugosità che favoriscono la formazione di difetti.

Guidare hardware quantistico migliore

Mostrando non solo quanti difetti si accoppiano a un qubit ma esattamente dove sono più comuni, questo lavoro offre ai progettisti di chip uno strumento nuovo per concentrare i loro sforzi. I risultati suggeriscono processi più puliti e delicati vicino ai conduttori delle giunzioni, la sagomatura dei fili per distribuire i campi elettrici e l’uso di elettrodi sul chip per spostare i difetti più dannosi lontano dalle frequenze del qubit. In termini semplici, lo studio offre una mappa dei punti più critici su un chip quantistico e suggerisce percorsi pratici verso qubit più stabili e di vita più lunga.

Citazione: 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

Parole chiave: qubit superconduttori, sistemi a due livelli, decoerenza quantistica, giunzioni Josephson, fabbricazione di hardware quantistico