Robuuste beoordeling van de kwaliteitsfactor van hoge-coherentie supergeleidende qubits

Waarom dit belangrijk is voor toekomstige quantumcomputers

Quantumcomputers gebouwd uit supergeleidende schakelingen worden zo goed dat kleine onvolkomenheden in de materialen tegenwoordiglimiteren hoe lang quantuminformatie kan blijven bestaan. Dit artikel pakt een verrassend basaal probleem aan dat vooruitgang vertraagt: het is in feite erg lastig om op een betrouwbare manier te meten hoe goed een enkele qubit werkelijk is. De auteurs introduceren eenvoudige elektrische trucs die deze metingen sneller, stabieler en informatiever maken, en zo een helderdere weg bieden naar betere quantumhardware.

Het probleem van grillige qubits

Supergeleidende quantumbits, of qubits, slaan informatie op in gevoelige elektrische toestanden die uiteindelijk energie verliezen en terugvallen naar rust. De sleutelmaat is hoe lang dit duurt, bekend als de relaxatietijd, en nauw verwant aan een "kwaliteitsfactor" die aangeeft hoe goed de qubit zijn energie vasthoudt. In apparaten van de staat-van-de-kunst ligt deze tijd al in het millisecondenbereik. Maar er is een addertje onder het gras: ze fluctueert sterk over uren en dagen, waardoor het moeilijk is vast te stellen of een nieuw materiaal of een productiestap echt verbetering brengt. Men denkt dat deze fluctuaties voortkomen uit talloze kleine defecten in de omliggende materialen die zich gedragen als eenvoudige aan/uit-systemen en willekeurig met de qubit interageren.

Verborgen defecten onderzoeken met zachte duwtjes

De auteurs benutten een belangrijke eigenschap van deze defecten: hun gedrag kan worden verschoven door elektrische velden. Ze plaatsen een kleine controle-elektrode bij elke qubit, elektrisch geïsoleerd maar in staat velden over de oppervlakken aan te brengen waar defecten vaak voorkomen. Door de spanning te veranderen, verplaatsen ze voorzichtig de defectenergieniveaus ten opzichte van de qubit, wat op zijn beurt verandert hoe sterk ze energie van de qubit onttrekken. Hierdoor kan het team effectief "door" vele verschillende microscopische configuraties tunen die de qubit anders alleen langzaam en onvoorspelbaar in de loop van de tijd zou tegenkomen.

Twee manieren om de willekeur te beteugelen

Met deze regelknop introduceren de onderzoekers twee aanvullende meetschema's. In het eerste brengen ze tijdens een relaxatietijdexperiment een zeer langzame, laagfrequente wisselspanning aan. Terwijl het veld heen en weer veegt, laten de nabijgelegen defecten vele toestanden zien terwijl de qubitverval wordt opgenomen. Het resultaat is een gemeten levensduur die opmerkelijk stabiel is over de tijd en dient als een robuust gemiddelde van alle relevante microscopische configuraties. In het tweede schema kiezen ze herhaaldelijk een willekeurige statische spanning, meten snel de qubit-levensduur en schakelen dan naar een nieuwe willekeurige instelling. Deze "snel-willekeurige" aanpak onthult de volledige spreiding van mogelijke levensduren die de qubit kan hebben wanneer verschillende defecten in of uit resonantie worden gebracht.

Het volledige beeld van qubit-prestaties zien

Bij vergelijking van vele apparaten vinden de auteurs dat de stabiele waarde die met het langzaam wisselende veld wordt verkregen, overeenkomt met het harmonisch gemiddelde van de levensduren gezien in de snel-willekeurige scans. Dit toont aan dat de methode met het wisselveld echt de onderliggende verdeling van verliesprocessen vastlegt, terwijl ze een heldere waarde oplevert die ingenieurs tussen apparaten en productiemethoden kunnen vergelijken. Ze demonstreren ook een praktische optimalisatieroutine: door willekeurig over spanningen te zoeken totdat een lange levensduur verschijnt en die instelling vervolgens vast te houden, houden ze de relaxatietijd van een qubit gedurende bijna drie dagen boven één milliseconde. In een andere reeks experimenten maakt de verbeterde stabiliteit het mogelijk om zuiver trends te onthullen in kwaliteitsfactor versus qubitfrequentie en temperatuur, inclusief subtiel extra verlies bij tussenliggende temperaturen dat door gewone fluctuaties verborgen zou zijn geweest.

Wat dit betekent voor het bouwen van betere machines

Voor een lezer zonder achtergrond is de belangrijkste boodschap dat de auteurs een manier hebben gevonden om een onstuimige, voortdurend veranderende eigenschap van quantumhardware om te zetten in een betrouwbare, snel meetbare grootheid. Door kleine elektrische velden te gebruiken om het gedrag van microscopische defecten te schudden en erover te middelen, kunnen ze karakteriseren hoe "goed" een qubit echt is met veel minder metingen of apparaten. Dit helpt niet alleen bij het vergelijken van verschillende productiebenaderingen, maar opent ook de deur naar het actief kiezen van bedrijfscondities die elke qubit een langere levensduur geven. Naarmate quantumprocessoren opschalen en qubits steeds verfijnder worden, zullen dergelijke controle en helderheid in het meten van hun prestaties cruciaal zijn om laboratoriumdemonstraties om te zetten in betrouwbare quantummachines.

Bronvermelding: Dane, A., Balakrishnan, K., Wacaser, B. et al. Robust quality factor assessment of high-coherence superconducting qubits. npj Quantum Inf 12, 62 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01199-x

Trefwoorden: supergeleidende qubits, qubit-coherentie, twee-niveau systemen, karakterisering van quantumhardware, elektrisch veldregeling