Spektroskopia relaksacji niemarkowskiej kubitów fluxonium

Dlaczego drobne wady mają znaczenie dla komputerów kwantowych

Komputery kwantowe obiecują rozwiązywać niektóre problemy znacznie szybciej niż dzisiejsze maszyny, jednak ich podstawowe jednostki informacji — kubity — są kruche. Ten artykuł wyjaśnia, dlaczego niektóre z najlepiej działających nadprzewodzących kubitów, zwanych fluxonium, czasami tracą energię w sposób pamiętający przeszłość. Autorzy pokazują, że ukryte mikroskopijne wady w materiale mogą cicho przechowywać i uwalniać energię na milisekundy, subtelnie zakłócając kubit i podważając standardowe metody pomiaru oraz ulepszania sprzętu kwantowego.

Ukryci sprawcy we wnętrzu nadprzewodzących obwodów

W większości podręcznikowych obrazów kubit znajduje się w bezkształtnym otoczeniu, które natychmiast zapomina każdą interakcję, więc jego zanikanie energii wygląda jak prosty, gładki wykładniczy spadek. Prawdziwe urządzenia są bardziej złożone. W cienkich, szklastych warstwach tlenku glinu używanych do budowy nadprzewodzących obwodów niezliczone defekty na skali atomowej mogą zachowywać się jak małe układy dwustanowe. Każdy z tych „systemów dwupoziomowych” może wymieniać energię z kubitem, a następnie rozpraszać ją bardzo wolno, działając jak rodzaj mikroskopijnej pamięci w otaczającym materiale. Wcześniejsze prace sugerowały, że takie defekty mogą mieć czasy życia nawet dłuższe niż sam kubit, ale standardowe pomiary czasu życia zakładają zapomniane środowisko i łatwo mogą przeoczyć tę ukrytą pamięć.

Nowy sposób nasłuchiwania na dwóch zegarach jednocześnie

Autorzy wprowadzają metodę pomiarową nazwaną relaksometrią dwustopniową (two-timescale relaxometry), zaprojektowaną do jednoczesnego śledzenia kubitu i jego otoczenia. Zamiast przygotowywać kubit raz i obserwować jego rozpad, wielokrotnie resetują i mierzą kubit w wielu krótkich, przypominających T1 fragmentach, jednocześnie celowo przesuwając pobliskie defekty ku stanom o wyższej lub niższej energii w znacznie dłuższym czasie. Dopasowując, jak szybko kubit początkowo relaksuje się podczas każdego krótkiego fragmentu, a następnie obserwując, jak pozorny współczynnik zanikania zmienia się na przestrzeni dziesiątek milisekund, mogą oddzielnie identyfikować szybki rozpad kubitu i powolne przegrupowania w łańcuchu defektów. Co istotne, protokół działa nawet gdy odczyt kubitu jest niedoskonały i częściowo zaburzający, co czyni go odpowiednim dla typowych ustawień eksperymentalnych.

Co znajdują wewnątrz kubitów fluxonium

Stosując tę metodę do wysoko-koherentnych kubitów fluxonium pracujących przy wyjątkowo niskich częstotliwościach (około 0,1–0,4 gigaherca), zespół odkrywa las dyskretnych defektów, których odciski pojawiają się jako ostre szczyty w widmie relaksacji kubitu. Wiele z tych defektów utrzymuje energię przez milisekundy, lecz szybko traci koherencję fazową, więc wymiana energii z kubitem przebiega głośno i nieskorelowanie, zamiast jako czyste oscylacje. Porównując zaobserwowane widma z symulacjami pola elektrycznego wewnątrz obwodów, autorzy wnioskują, że dominujące defekty prawdopodobnie znajdują się w barierach tunelowych długiego łańcucha złączy Josephsona tworzącego superindukcyjność fluxonium, a nie na szerszych powierzchniach układu.

Właściwości defektów w różnych urządzeniach i projektach

Badacze przeprowadzają podobne pomiary na drugim urządzeniu fluxonium zbudowanym w architekturze planarnej i ponownie znajdują mniej więcej tuzin silnych defektów o czasach życia od setek mikrosekund do milisekund. Na podstawie liczby i siły zaobserwowanych rezonansów wnioskują, że te defekty mają gęstości powierzchniowe i momenty dipolowe elektryczne zaskakująco podobne do tych zgłaszanych dla defektów tlenku glinu przy znacznie wyższych częstotliwościach mikrofalowych. Sugeruje to wspólne fizyczne źródło rozciągające się na prawie dwie dekady częstotliwości. Jednocześnie tło strat spowodowanych bardziej konwencjonalnymi powierzchniami dielektrycznymi wydaje się na tyle niskie, że w przypadku braku rezonansowych defektów fluxoniumy mogłyby rutynowo osiągać czasy życia rzędu milisekund lub lepsze.

Implikacje dla przyszłego sprzętu kwantowego

Ogólnie rzecz biorąc, badanie przedstawia poruszający, ale wykonalny obraz: czynnikiem ograniczającym kubity fluxonium nie są ogólne straty materiałowe, lecz gęsty krajobraz długowiecznych mikroskopijnych defektów osadzonych w łańcuchach złączy. Ponieważ te defekty wprowadzają powolną, zależną od historii dynamikę, komplikują wysiłki na rzecz stabilizacji i skalowania projektów kubitów chronionych przed szumem, które opierają się na długich łańcuchach złączy lub innych elementach o dużej impedancji. Autorzy argumentują, że zmniejszenie gęstości defektów w tlenkach złączy lub zastąpienie łańcuchów złączy alternatywnymi, niskostratnymi strukturami indukcyjnymi będzie kluczowe dla dalszych postępów w koherencji. Jednocześnie ich metoda relaksometrii dwustopniowej oferuje praktyczne narzędzie do rutynowego wykrywania niemarkowskiego zachowania w różnych kubitach, pomagając inżynierom diagnozować i ostatecznie okiełznać ukryte pamięci w urządzeniach kwantowych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: kubitów fluxonium, systemy dwupoziomowe, niemarkowska relaksacja, nadprzewodzące obwody kwantowe, dekoherencja kubitów