Het in kaart brengen van de posities van Two-Level-Systems op het oppervlak van een supergeleidende transmon qubit

Op jacht naar verborgen gebreken in quantumchips

Supergeleidende quantumcomputers beloven problemen aan te pakken die huidige machines overweldigen, maar worden geremd door kleine gebreken die stilletjes hun prestaties ondermijnen. Deze studie laat zien hoe je die boosdoeners, zogenaamde tweeniveausystemen, op het oppervlak van een veelgebruikt type qubit kunt lokaliseren, waardoor ingenieurs precies kunnen zien welke delen van een chip de betrouwbaarheid het meest schaden.

Waarom kleine defecten ertoe doen

In de vaste materialen waaruit een quantumprocessor bestaat, zitten sommige atomen niet onbeweeglijk op één plaats maar kunnen ze tunnelen tussen twee nabije posities. Elk dergelijk defect gedraagt zich als een klein schakelaartje met twee toestanden, bekend als een tweeniveausysteem. Als deze schakelaars lading dragen, wisselen ze sterk met de gevoelige elektrische velden die informatie in een supergeleidende qubit opslaan. Als de energie van een qubit in een nabij defect kan vloeien, vervaagt de quantumtoestand sneller en wordt de bruikbare levensduur van de qubit verkort.

Quantumbits als lokale sensoren gebruiken

De onderzoekers gebruiken een transmon-qubit, een veelgebruikt ontwerp opgebouwd uit een kruisvormig metalen eiland dat via een paar Josephson-junctions is verbonden met een omringend grondvlak. Rond deze structuur hebben ze vier extra metalen pads gepatroneerd die als poortelektroden fungeren. Door zorgvuldig gekozen statische spanningen op deze pads toe te passen, creëren ze lokale elektrische velden die de natuurlijke frequenties van nabijgelegen defecten licht verschuiven. Omdat elk defect verschillend op elke poort reageert, worden de qubit en zijn omgeving effectief een klein sensorarray dat kan waarnemen waar individuele defecten zich bevinden.

Defecten in kaart brengen via hun elektrische voetafdruk

Om een defect te vinden gebruikt het team eerst een timing-experiment dat swap-spectroscopie heet. Ze exciteren de qubit, stemmen kort haar frequentie af en meten vervolgens hoeveel energie overblijft. Wanneer de frequentie van de qubit overeenkomt met die van een defect, wisselt energie tussen beiden en ontspant de qubit sneller, wat het defect als een dip in de levensduur onthult. Door dit te herhalen terwijl de spanningen op elke poortelektrode worden gesweept, toont zich hoe sterk dat defect verschuift wanneer elke pad wordt gebiased. Het patroon van deze verschuivingen wordt vervolgens vergeleken met gedetailleerde computersimulaties van de elektrische velden rond de qubit, waardoor het team de meest waarschijnlijke positie van elk defect op het chipoppervlak kan trianguleren.

Waar de defecten echt zitten

Met deze methode brachten de onderzoekers 55 individuele oppervlakdefecten in kaart op één enkele transmon-qubit. Verrassend genoeg groepeerde bijna zestig procent van de hinderlijke defecten zich in de buurt van de smalle leidingen van de Josephson-junctions, hoewel het grootste deel van het chipoppervlak en de elektrische veldenergie zich in de grote condensatorpads en het grondvlak bevindt. De analyse suggereert dat de defectdichtheid ruwweg twee keer zo hoog is nabij de junction-leads als op de bredere metalen oppervlakken. Dit wijst op het fabricageproces van de chip zelf—met name de lift-off techniek die wordt gebruikt om de junction-bedrading te patroneren—als een waarschijnlijke bron van extra wanorde, residu en ruwheid die defectvorming bevorderen.

Leidraad voor betere quantumhardware

Door niet alleen te tonen hoeveel defecten koppelen aan een qubit maar precies waar ze het meest voorkomen, biedt dit werk chipleveranciers een nieuw instrument om hun inspanningen te richten. De resultaten pleiten voor schonere en zachtere verwerking nabij junction-leads, voor het vormen van draden om elektrische velden uit te spreiden, en voor het gebruik van on-chip elektroden om de schadelijkste defecten weg te duwen van qubitfrequenties. In eenvoudige bewoordingen biedt de studie een kaart van de ergste probleemzones op een quantumchip en suggereert praktische routes naar rustiger, langer levende qubits.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: supergeleidende qubits, two level systems, quantum decoherence, Josephson junctions, fabricage van quantum-hardware