Mapeando as posições de Sistemas de Dois Níveis na superfície de um qubit transmon supercondutor

Caçando falhas escondidas em chips quânticos

Computadores quânticos supercondutores prometem resolver problemas que sobrecarregam as máquinas atuais, mas são limitados por defeitos minúsculos que silenciosamente degradam seu desempenho. Este estudo mostra como localizar esses causadores de problemas, chamados sistemas de dois níveis, na superfície de um tipo popular de bit quântico, ajudando engenheiros a ver exatamente quais partes de um chip prejudicam mais sua confiabilidade.

Por que defeitos minúsculos importam

Nos sólidos que compõem um processador quântico, alguns átomos não ficam fixos em uma posição e podem tunelar entre duas posições próximas. Cada defeito desse tipo se comporta como um pequeno interruptor com dois estados, conhecido como sistema de dois níveis. Quando esses interruptores carregam carga, eles interagem fortemente com os delicados campos elétricos que armazenam informação em um qubit supercondutor. Se a energia de um qubit puder fluir para um defeito próximo, o estado quântico se desvanece mais rapidamente, encurtando o tempo útil do qubit.

Transformando bits quânticos em sensores locais

Os pesquisadores usam um qubit transmon, um desenho amplamente utilizado composto por uma ilha metálica em forma de cruz conectada a um plano de terra circundante por meio de um par de junções Josephson. Ao redor dessa estrutura, eles padronizaram quatro almofadas metálicas adicionais que atuam como eletrodos de porta. Aplicando tensões estáticas cuidadosamente escolhidas a essas portas, criam campos elétricos locais que deslocam suavemente as frequências naturais dos defeitos próximos. Como cada defeito responde de modo diferente a cada porta, o qubit e seu entorno tornam-se efetivamente uma pequena matriz de sensores que pode detectar onde defeitos individuais estão localizados.

Mapeando defeitos por sua assinatura elétrica

Para encontrar um defeito, a equipe primeiro usa um experimento de tempo chamado espectroscopia de troca. Eles excitam o qubit, ajustam brevemente sua frequência e então medem quanta energia permanece. Quando a frequência do qubit coincide com a de um defeito, a energia troca entre eles e o qubit relaxa mais rápido, revelando o defeito como um mergulho no tempo de vida. Repetir isso enquanto varrem as tensões em cada eletrodo de porta mostra o quanto aquele defeito muda quando cada almofada é polarizada. O padrão desses deslocamentos é então comparado a simulações detalhadas por computador dos campos elétricos ao redor do qubit, permitindo à equipe triangular a posição mais provável de cada defeito na superfície do chip.

Onde os defeitos realmente vivem

Usando esse método, os pesquisadores mapearam 55 defeitos de superfície individuais em um único qubit transmon. Surpreendentemente, quase sessenta por cento dos defeitos problemáticos se concentraram perto das estreitas hastes das junções Josephson, mesmo que a maior parte da área do chip e da energia do campo elétrico resida nas grandes almofadas do capacitor e no plano de terra. A análise sugere que a densidade de defeitos é aproximadamente duas vezes maior perto das hastes das junções do que nas superfícies metálicas mais largas. Isso aponta para o próprio processo de fabricação do chip — especialmente a técnica de lift-off usada para padronizar a fiação das junções — como uma provável fonte de desordem adicional, resíduos e rugosidade que favorecem a formação de defeitos.

Guiando melhor hardware quântico

Ao mostrar não apenas quantos defeitos se acoplam a um qubit, mas exatamente onde eles são mais comuns, este trabalho oferece aos projetistas de chips uma nova ferramenta para concentrar seus esforços. Os resultados defendem processos mais limpos e suaves perto das hastes das junções, o formato de fios para espalhar campos elétricos e o uso de eletrodos no chip para afastar os defeitos mais prejudiciais das frequências do qubit. Em termos simples, o estudo fornece um mapa dos piores pontos problemáticos em um chip quântico e sugere rotas práticas para qubits mais tranquilos e de vida mais longa.

Citação: 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

Palavras-chave: qubits supercondutores, sistemas de dois níveis, decoerência quântica, junções Josephson, fabricação de hardware quântico