Немарковская спектроскопия релаксации кубитов fluxonium

Почему мелкие дефекты важны для квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры обещают решать некоторые задачи намного быстрее современных машин, но их базовые единицы информации — кубиты — очень уязвимы. В этой статье объясняется, почему некоторые из наиболее хорошо работающих сверхпроводящих кубитов, называемые fluxonium, иногда теряют энергию с сохранением следа о предыдущих состояниях. Авторы показывают, что скрытые микроскопические дефекты в материале могут тихо накапливать и отдавать энергию в течение миллисекунд, ненавязчиво нарушая работу кубита и ставя под сомнение стандартные методы измерения и улучшения квантового аппаратного обеспечения.

Скрытые виновники внутри сверхпроводящих схем

В большинстве учебных моделей кубит находится в безликом окружении, которое мгновенно забывает все взаимодействия, поэтому затухание энергии выглядит как простая гладкая экспоненциальная кривая. В реальных устройствах всё сложнее. В тонких стёкловидных слоях оксида алюминия, используемых для изготовления сверхпроводящих схем, бесчисленное множество дефектов на атомном масштабе может вести себя как крошечные двухсостояние. Каждый такой «двухуровневый» дефект может обмениваться энергией с кубитом и затем расслабляться очень медленно, выступая в роли микроскопического элемента памяти в окружающем материале. Ранние исследования намекали, что такие дефекты могут жить дольше самого кубита, но стандартные измерения времени жизни предполагают забывчивую среду и легко пропускают эту скрытую память.

Новый способ слушать по двум шкалам времени одновременно

Авторы предлагают метод измерения, который они называют релаксометрией с двумя временными шкалами, предназначенный для одновременного отслеживания кубита и его окружения. Вместо того чтобы подготовить кубит один раз и наблюдать за его затуханием, они многократно сбрасывают и измеряют кубит в серии коротких отрезков, похожих на T1, в то время как целенаправленно переводят окружающие дефекты на более высокий или более низкий уровень энергии в течение куда более длительного периода. Подгоняя скорость начальной релаксации кубита в каждом коротком отрезке и затем наблюдая, как этот кажущийся коэффициент меняется на масштабах десятков миллисекунд, они могут отдельно выделить быстрое затухание кубита и медленные перестройки среды дефектов. Важно, что этот протокол работает даже при несовершенном и отчасти нарушающем чтении кубита, что делает его пригодным для типичных экспериментальных установок.

Что они обнаружили внутри кубитов fluxonium

Применив этот метод к высокосогласованным кубитам fluxonium, работающим на необычно низких частотах (примерно 0,1–0,4 гигагерца), команда обнаружила множество дискретных дефектов, отпечатки которых проявляются в виде острых пиков в спектре релаксации кубита. Многие из этих дефектов удерживают энергию в течение миллисекунд, но быстро теряют фазовую когерентность, поэтому они обмениваются энергией с кубитом шумно и некогерентно, а не в виде чистых осцилляций. Сравнивая наблюдаемые спектры с компьютерными моделями электрического поля внутри схем, авторы приходят к выводу, что доминирующие дефекты, вероятно, расположены в туннельных барьерах длинной цепочки джозефсоновских переходов, формирующей супериндуктивность fluxonium, а не на более широких поверхностях кристалла.

Свойства дефектов в разных устройствах и архитектурах

Исследователи провели аналогичные измерения на втором устройстве fluxonium, выполненном в плоской архитектуре, и снова обнаружили примерно дюжину сильных дефектов с временами жизни от сотен микросекунд до миллисекунд. По числу и силе наблюдаемых резонансов они делают вывод, что эти дефекты имеют плотности по площади и электрические дипольные моменты, удивительно похожие на те, которые сообщались для дефектов оксида алюминия на гораздо более высоких микроволновых частотах. Это указывает на общее физическое происхождение, охватывающее почти два десятилетия по частоте. В то же время фоновое поглощение от более обычных диэлектрических поверхностей кажется достаточно низким, так что при отсутствии резонансных дефектов fluxonium-кубиты могли бы регулярно демонстрировать времена жизни миллисекундного порядка или лучше.

Последствия для будущего квантового аппаратного обеспечения

В целом исследование рисует отрезвляющую, но практически применимую картину: ограничивающим фактором для кубитов fluxonium является не общая потеря материала, а плотный ландшафт долгоживущих микроскопических дефектов, встроенных в цепочки переходов. Поскольку эти дефекты вводят медленную, зависящую от истории динамику, они усложняют попытки стабилизировать и масштабировать конструкции кубитов с защитой от шума, основанные на длинных цепочках переходов или других элементах с высоким импедансом. Авторы утверждают, что уменьшение плотности дефектов в оксидах переходов или замена цепочек переходов альтернативными индуктивными структурами с низкими потерями будет важным для дальнейшего увеличения когерентности. Одновременно их метод релаксометрии с двумя временными шкалами предоставляет практический инструмент для рутинного обнаружения немарковского поведения в самых разных кубитах, помогая инженерам диагностировать и в конечном счете обуздать скрытую память в квантовых устройствах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: кубиты fluxonium, двухуровневые системы, немарковская релаксация, сверхпроводящие квантовые схемы, декогеренция кубитов