Niet-Markoviaanse relaxatiespectroscopie van fluxonium-qubits

Waarom kleine tekortkomingen van belang zijn voor quantumcomputers

Quantumcomputers beloven bepaalde problemen veel sneller op te lossen dan hedendaagse machines, maar hun basisinformatie-eenheden — qubits — zijn kwetsbaar. Dit artikel onderzoekt waarom enkele van de best presterende supergeleidende qubits, zogenaamde fluxonium-qubits, soms energie verliezen op een manier die hun verleden onthoudt. De auteurs laten zien dat verborgen microscopische onvolkomenheden in het materiaal energie geruisloos kunnen opslaan en over milliseconden weer vrijgeven, waardoor de qubit subtiel wordt verstoord en gangbare meet- en verbetermethoden voor quantumhardware worden uitgedaagd.

Verborgen schuldigen in supergeleidende schakelingen

In de meeste tekstboekvoorstellingen bevindt een qubit zich in een kenloze omgeving die elke interactie onmiddellijk vergeet, zodat zijn energiedaling eruitziet als een eenvoudige, gladde exponentiële kromme. Werkelijke apparaten zijn rommeliger. In de dunne glasachtige lagen van aluminiumoxide die worden gebruikt om supergeleidende schakelingen te bouwen, kunnen talloze atomaire defecten zich gedragen als kleine tweestaatssystemen. Elk van deze “twee-niveausystemen” kan energie uitwisselen met een qubit en vervolgens slechts langzaam ontspannen, en fungeert zo als een soort microscopisch geheugenelement in het omringende materiaal. Eerder werk suggereerde dat dergelijke defecten levensduren kunnen hebben die zelfs langer zijn dan die van de qubit zelf, maar standaard levensduurmetingen veronderstellen een vergetende omgeving en kunnen dit verborgen geheugen gemakkelijk missen.

Een nieuwe manier om op twee tijden tegelijk te luisteren

De auteurs introduceren een meetmethode die zij twee-tijdsschaal relaxometrie noemen, ontworpen om zowel de qubit als zijn omgeving tegelijkertijd te volgen. In plaats van de qubit eenmaal voor te bereiden en zijn verval te volgen, zetten ze de qubit herhaaldelijk terug en meten ze deze in vele korte, T1-achtige fragmenten terwijl ze opzettelijk de omliggende defecten over een veel langere periode naar een hoger of lager energieniveau duwen. Door te passen hoe snel de qubit aanvankelijk ontspant tijdens elk kort fragment, en vervolgens te volgen hoe die schijnbare snelheid over tientallen milliseconden verschuift, kunnen ze snelle qubitvervalprocessen onderscheiden van langzame herschikkingen in het bad van defecten. Cruciaal is dat dit protocol werkt zelfs wanneer de qubituitlezing onvolmaakt en enigszins verstorend is, waardoor het geschikt is voor typisch experimenteel opgezette systemen.

Wat ze vinden in fluxonium-qubits

Toegepast op hoog-coherente fluxonium-qubits die werken op ongewoon lage frequenties (ongeveer 0,1–0,4 gigahertz), onthult het team een woud van discrete defecten waarvan de vingerafdrukken verschijnen als scherpe pieken in het relaxatiespectrum van de qubit. Veel van deze defecten houden energie vast gedurende milliseconden, maar verliezen snel hun fasecoherentie, zodat ze energie met de qubit uitwisselen op een rumoerige, incoherente manier in plaats van als zuivere oscillaties. Door de waargenomen spectra te vergelijken met computersimulaties van het elektrische veld in de schakelingen, concluderen de auteurs dat de dominante defecten waarschijnlijk in de tunneldrempels van de lange keten van Josephson-juncties zitten die de superinductantie van de fluxonium vormen, in plaats van op bredere chipoppervlakken.

Eigenschappen van defecten over apparaten en ontwerpen heen

De onderzoekers voeren vergelijkbare metingen uit op een tweede fluxonium-apparaat gebouwd in een planair ontwerp en vinden opnieuw ruwweg een dozijn sterke defecten met levensduren variërend van honderden microseconden tot milliseconden. Uit het aantal en de sterkte van de waargenomen resonanties leiden ze af dat deze defecten oppervlaktemeetwaarden en elektrische dipoolmomenten hebben die opmerkelijk lijken op die gerapporteerd voor aluminiumoxide-defecten bij veel hogere microgolf-frequenties. Dit suggereert een gemeenschappelijke fysieke oorsprong die zich uitstrekt over bijna twee decennia in frequentie. Tegelijkertijd lijkt het achtergrondverlies door meer conventionele diëlektrische oppervlakken laag genoeg dat, bij afwezigheid van resonante defecten, fluxoniums routinematig milliseconde-levensduren of beter zouden kunnen bereiken.

Gevolgen voor toekomstige quantumhardware

Samengevat schetst de studie een verontrustend maar hanteerbaar beeld: de beperkende factor voor fluxonium-qubits is niet generiek materiaalverlies, maar een dicht landschap van langlevende microscopische defecten ingebed in de junctieketens. Omdat deze defecten langzame, geschiedenis-afhankelijke dynamica introduceren, bemoeilijken ze pogingen om ruis-beschermde qubitontwerpen die vertrouwen op lange junctie-arrays of andere elementen met hoge impedantie te stabiliseren en op te schalen. De auteurs bepleiten dat het verminderen van de defectdichtheid in de junctie-oxiden, of het vervangen van junctieketens door alternatieve, verliesarme inductieve structuren, essentieel zal zijn voor verdere verbeteringen in coherentie. Tegelijkertijd biedt hun twee-tijdsschaal relaxometrie-methode een praktisch instrument om niet-Markoviaans gedrag routinematig op te sporen in qubits van diverse soorten, wat ingenieurs helpt de verborgen herinneringen in quantumapparaten te diagnosticeren en uiteindelijk te temmen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: fluxonium-qubits, twee-niveausystemen, niet-Markoviaanse relaxatie, supergeleidende quantumcircuits, qubit-decoherentie