Надёжная оценка фактора качества для сверхпроводящих кубитов с высокой когерентностью

Почему это важно для будущих квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры на основе сверхпроводящих схем становятся настолько совершенными, что теперь мелкие дефекты в материалах ограничивают время сохранения квантовой информации. В этой статье решается, на первый взгляд, простая, но тормозящая прогресс задача: надёжно измерить, насколько хорош отдельный кубит. Авторы предлагают простые электрические приёмы, которые делают эти измерения быстрее, стабильнее и информативнее, открывая более ясный путь к созданию улучшенного квантового оборудования.

Проблема непостоянных кубитов

Сверхпроводящие кубиты хранят информацию в хрупких электрических состояниях, которые со временем теряют энергию и релаксируют в покой. Ключевой показатель — сколько времени это занимает, известное как время релаксации, и связанный с ним «фактор качества», который показывает, насколько хорошо кубит удерживает энергию. В передовых устройствах это время уже достигает миллисекунд. Но есть загвоздка: оно сильно флуктуирует в течение часов и дней, из‑за чего трудно понять, действительно ли новый материал или технологический шаг принёс улучшение. Считается, что эти колебания возникают из бесчисленных мелких дефектов в окружающих материалах, которые ведут себя как простые включаемые/выключаемые системы и случайно взаимодействуют с кубитом.

Тонкие «толчки» для исследования скрытых дефектов

Авторы используют ключевое свойство этих дефектов: их поведение можно сдвигать электрическими полями. Они размещают небольшой управляющий электрод рядом с каждым кубитом, электрически изолированный, но способный создавать поля на поверхностях, где обычно живут дефекты. Меняя напряжение, они аккуратно перемещают энергии дефектов относительно кубита, что изменяет, с какой силой дефекты отбирают у него энергию. Это позволяет команде фактически «пройти» через множество разных микроскопических конфигураций, которые в противном случае возникали бы лишь медленно и непредсказуемо с течением времени.

Два способа укротить случайность

Имея такой управляющий рычаг, исследователи предлагают две взаимодополняющие схемы измерений. В первой они подают очень медленное, низкочастотное переменное напряжение во время эксперимента по измерению времени релаксации. По мере того как поле проходит туда и обратно, близлежащие дефекты пробуют множество состояний, пока записывается распад кубита. В результате измеренное время жизни оказывается исключительно стабильным и служит надёжным усреднённым значением по всем релевантным микроскопическим конфигурациям. Во второй схеме они многократно выбирают случайное статическое напряжение, быстро измеряют время жизни кубита, а затем переходят к новому случайному значению. Этот «быстрый случайный» подход выявляет полный разброс возможных времен жизни кубита, когда разные дефекты оказываются в резонансе или вне его.

Видеть полную картину производительности кубита

Сравнивая множество устройств, авторы обнаружили, что стабильное значение, получаемое с медленным переменным полем, совпадает с гармоническим средним времен жизни, наблюдавшихся в быстрых случайных сканах. Это показывает, что метод с переменным полем действительно захватывает основное распределение потерь, при этом даёт чистую величину, которую инженеры могут сравнивать между устройствами и технологическими процессами. Они также демонстрируют практическую процедуру оптимизации: случайно перебирая напряжения до появления долгого времени жизни и затем фиксируя это значение, им удаётся поддерживать время релаксации кубита выше одной миллисекунды почти три дня. В другом наборе экспериментов улучшенная стабильность позволила им чётко выявить зависимости фактора качества от частоты кубита и температуры, включая тонкие дополнительные потери при промежуточных температурах, которые были бы скрыты при обычных флуктуациях.

Что это значит для создания лучших машин

Для непрофессионального читателя главный вывод таков: авторы нашли способ превратить непоследовательное, постоянно меняющееся свойство квантового оборудования в надёжную, быстро измеримую величину. Используя небольшие электрические поля для перестановки и усреднения поведения микроскопических дефектов, они могут характеризовать, насколько «хорош» кубит на самом деле, затрачивая гораздо меньше измерений и устройств. Это не только помогает сравнивать разные технологические подходы, но и открывает возможность активно выбирать условия работы, которые продлевают жизнь каждого кубита. По мере увеличения масштабов квантовых процессоров и повышения совершенства кубитов подобный контроль и прозрачность в измерении их характеристик будут критичны для превращения лабораторных демонстраций в надёжные квантовые машины.

Цитирование: Dane, A., Balakrishnan, K., Wacaser, B. et al. Robust quality factor assessment of high-coherence superconducting qubits. npj Quantum Inf 12, 62 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01199-x

Ключевые слова: сверхпроводящие кубиты, когерентность кубита, двухуровневые системы, характеризация квантового оборудования, управление электрическим полем