Картирование положений двухуровневых систем на поверхности сверхпроводящего трансмона

Поиск скрытых дефектов в квантовых чипах

Сверхпроводящие квантовые компьютеры обещают решать задачи, недоступные современным машинам, но их сдерживают крошечные дефекты, которые тихо подрывают производительность. В этом исследовании показано, как обнаруживать этих нарушителей, называемых двухуровневыми системами, на поверхности популярного типа квантового бита, что помогает инженерам точно видеть, какие участки чипа больше всего вредят надежности.

Почему важны крошечные дефекты

В твердых материалах, из которых изготовлен квантовый процессор, некоторые атомы не застревают в единственной позиции, а могут туннелировать между двумя близкими положениями. Каждый такой дефект ведет себя как крошечный переключатель с двумя состояниями, известный как двухуровневая система. Когда эти переключатели переносят заряд, они сильно взаимодействуют с деликатными электрическими полями, в которых хранится информация в сверхпроводящем кубите. Если энергия кубита может обмениваться с близким дефектом, квантовое состояние быстрее угасает, сокращая полезный срок жизни кубита.

Преобразование квантовых битов в локальные сенсоры

Исследователи используют трансмон — широко применяемую конструкцию, выполненную в виде металлического островка крестовидной формы, соединенного с окружающей землей через пару джозефсоновских переходов. Вокруг этой структуры они нанесли четыре дополнительные металлические площадки, выступающие в роли затворов. При подаче тщательно подобранных статических напряжений на эти площадки создаются локальные электрические поля, которые слегка сдвигают собственные частоты соседних дефектов. Поскольку каждый дефект реагирует по-разному на каждый затвор, сам кубит и его окружение фактически превращаются в маленький массив датчиков, способный выявлять местоположение отдельных дефектов.

Картирование дефектов по их электрическому следу

Для поиска дефекта команда сначала применяет временной эксперимент, называемый «swap spectroscopy» (обменная спектроскопия). Они возбуждают кубит, кратковременно настраивают его частоту и затем измеряют, сколько энергии осталось. Когда частота кубита совпадает с частотой дефекта, энергия переходит между ними и кубит расслабляется быстрее, что проявляется как провал в времени жизни. Повторяя это при изменении напряжений на каждом затворе, исследователи видят, насколько сильно частота конкретного дефекта сдвигается при смещении каждой площадки. Шаблон этих сдвигов затем сопоставляют с подробными компьютерными моделями электрических полей вокруг кубита, что позволяет триангулировать наиболее вероятное положение каждого дефекта на поверхности чипа.

Где на самом деле обитают дефекты

С помощью этого метода исследователи картировали 55 отдельных поверхностных дефектов на одном трансмоне. Удивительно, но почти шестьдесят процентов проблемных дефектов сконцентрировались возле узких выводов джозефсоновских переходов, хотя большая часть площади чипа и энергии электрического поля сосредоточена в больших конденсаторных площадках и земле. Анализ показывает, что плотность дефектов примерно вдвое выше возле выводов переходов, чем на более широких металлических поверхностях. Это указывает на сам процесс изготовления чипа — особенно на технологию lift-off, применяемую для формирования проводки переходов — как на вероятный источник дополнительного беспорядка, остатков и шероховатости, способствующих образованию дефектов.

Руководство по улучшению квантового оборудования

Показывая не только сколько дефектов связаны с кубитом, но и где они наиболее часто встречаются, эта работа дает проектировщикам чипов новый инструмент для фокусировки усилий. Результаты свидетельствуют в пользу более чистых и бережных технологических операций вблизи выводов переходов, формирования проводников так, чтобы растянуть электрические поля, и использования встроенных электродов для отодвигания наиболее вредных дефектов с квантовых частот кубита. Проще говоря, исследование предлагает карту худших проблемных зон на квантовом чипе и предлагает практические пути к более спокойным, долгоживущим кубитам.

Цитирование: 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

Ключевые слова: сверхпроводящие кубиты, двухуровневые системы, квантовая декогеренция, джозефсоновские контакты, производство квантового оборудования