Mapowanie położeń układów dwupoziomowych na powierzchni nadprzewodzącego kubitu transmon

Polowanie na ukryte wady w układach kwantowych

Nadprzewodzące komputery kwantowe mają potencjał rozwiązywać problemy, które przytłaczają współczesne maszyny, lecz ich rozwój hamują drobne wady, które podstępnie osłabiają wydajność. Niniejsze badanie pokazuje, jak zlokalizować tych sprawców kłopotów — tzw. układy dwupoziomowe — na powierzchni popularnego typu kubitu, pomagając inżynierom zobaczyć, które części układu najpewniej pogarszają jego niezawodność.

Dlaczego drobne defekty mają znaczenie

W ciałach stałych tworzących procesor kwantowy niektóre atomy nie pozostają w jednej pozycji, lecz mogą tunelować między dwoma pobliskimi położeniami. Każdy taki defekt zachowuje się jak maleńki przełącznik o dwóch stanach, zwany układem dwupoziomowym. Gdy te przełączniki niosą ładunek, silnie oddziałują z delikatnymi polami elektrycznymi przechowującymi informację w nadprzewodzącym kubicie. Jeżeli energia kubitu może przepłynąć do pobliskiego defektu, stan kwantowy zanika szybciej, skracając użyteczny czas życia kubitu.

Przekształcanie kubitów w lokalne czujniki

Badacze wykorzystują kubit typu transmon, powszechnie stosowaną konstrukcję z wyspą metalową w kształcie krzyża połączoną z otaczającą płaszczyzną uziemienia za pomocą pary złączy Josephsona. Wokół tej struktury umieścili cztery dodatkowe pady metalowe pełniące rolę elektrod bramkowych. Stosując starannie dobrane stałe napięcia na tych padach, tworzą lokalne pola elektryczne, które delikatnie przesuwają naturalne częstotliwości pobliskich defektów. Ponieważ każdy defekt reaguje inaczej na każdą bramkę, kubit i jego otoczenie stają się w efekcie miniaturową siatką czujników, pozwalającą określić położenie poszczególnych defektów.

Mapowanie defektów po ich elektrycznym śladzie

Aby znaleźć defekt, zespół najpierw stosuje eksperyment czasowy zwany spektroskopią swap. Pobudzają kubit, chwilowo dostrajają jego częstotliwość, a następnie mierzą, ile energii pozostało. Gdy częstotliwość kubitu pokrywa się z częstotliwością defektu, energia wymienia się między nimi i kubit relaksuje się szybciej, ujawniając defekt jako spadek czasu życia. Powtarzanie tego przy jednoczesnym skanowaniu napięć na każdej elektrodzie bramkowej pokazuje, jak silnie dany defekt przesuwa się przy polaryzacji każdego padu. Wzór tych przesunięć porównuje się następnie z szczegółowymi symulacjami pól elektrycznych wokół kubitu, co pozwala zespołowi triangulować najbardziej prawdopodobne położenie każdego defektu na powierzchni układu.

Gdzie defekty naprawdę występują

Stosując tę metodę, naukowcy zmapowali 55 pojedynczych defektów powierzchniowych na jednym kubicie transmon. Co zaskakujące, prawie sześćdziesiąt procent problematycznych defektów skupiało się w pobliżu wąskich odprowadzeń złączy Josephsona, mimo że większość pola i energii elektrycznej układu znajduje się na dużych padach kondensatora i płaszczyźnie uziemienia. Analiza sugeruje, że gęstość defektów jest mniej więcej dwukrotnie wyższa przy odprowadzeniach złączy niż na szerszych powierzchniach metalowych. Wskazuje to na sam proces fabrykacji układu — a w szczególności technikę lift-off używaną do patternowania okablowania złączy — jako prawdopodobne źródło dodatkowego nieporządku, pozostałości i chropowatości sprzyjających powstawaniu defektów.

Wskazówki dla lepszego sprzętu kwantowego

Pokażając nie tylko ile defektów sprzęga się z kubitem, ale dokładnie gdzie występują najczęściej, ta praca daje projektantom układów narzędzie do ukierunkowania działań. Wyniki przemawiają za czystszą i bardziej łagodną obróbką w pobliżu odprowadzeń złączy, za kształtowaniem przewodów tak, by rozpraszać pola elektryczne, oraz za użyciem elektrod na chipie do podrażania najgroźniejszych defektów z dala od częstotliwości kubitu. Mówiąc prościej, badanie oferuje mapę najbardziej problematycznych miejsc na układzie kwantowym i sugeruje praktyczne drogi do spokojniejszych, dłużej żyjących kubitów.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: kubity nadprzewodzące, układy dwupoziomowe, dekoherencja kwantowa, złącza Josephsona, wytwarzanie sprzętu kwantowego