Non-Markoviansk relaxationsspektroskopi av fluxonium-kubit

Varför små defekter spelar roll för kvantdatorer

Kvantdatorer lovar att lösa vissa problem mycket snabbare än dagens maskiner, men deras grundläggande informationsenheter — kubits — är sköra. Denna artikel undersöker varför några av de bästa supraledande kubitarna, så kallade fluxonium-kubits, ibland förlorar energi på ett sätt som minns deras förflutna. Författarna visar att dolda mikroskopiska defekter i materialet tyst kan lagra och frigöra energi över millisekunder, subtilt störa kubiten och utmana standardmetoder för att mäta och förbättra kvantmaskinvara.

Dolda syndare i supraledande kretsar

I de flesta läroboksbilder sitter en kubit i en egendomslös omgivning som omedelbart glömmer varje interaktion, så dess energinedgång ser ut som en enkel, jämn exponentiell kurva. Verkliga enheter är rörigare. I de tunna, glasartade lagren av aluminiumoxid som används för att bygga supraledande kretsar kan otaliga atomskaliga defekter bete sig som små tvåtillståndssystem. Var och en av dessa ”tvånivåsyst em” kan byta energi med en kubit och sedan relaxera mycket långsamt, och agera som en sorts mikroskopiskt minneselement i omgivande material. Tidigare arbete antydde att sådana defekter kan ha livslängder som är längre än kubitens egen, men standardmätningar av livslängd antar en glömsk omgivning och kan lätt missa detta dolda minne.

Ett nytt sätt att lyssna på två tidsskalor samtidigt

Författarna introducerar en mätmetod de kallar två-tidsskala relaxometri, utformad för att följa både kubiten och dess omgivning samtidigt. I stället för att förbereda kubiten en gång och observera dess decay, återställer och mäter de kubiten upprepade gånger i många korta, T1-liknande utdrag medan de avsiktligt skjuter de omgivande defekterna mot antingen högre eller lägre energi över en mycket längre tid. Genom att passa hur snabbt kubiten initialt relaxerar under varje kort utdrag, och sedan följa hur den till synes hastigheten driver över tiotals millisekunder, kan de särskilja snabb kubitavklingning och långsamma omarrangemang i defektbadet. Avgörande är att detta protokoll fungerar även när kubitavläsningen är ofullständig och något störande, vilket gör det lämpligt för typiska experimentella uppsättningar.

Vad de hittar inne i fluxonium-kubits

Genom att tillämpa denna metod på högkoherenta fluxonium-kubits som arbetar vid ovanligt låga frekvenser (cirka 0,1–0,4 gigahertz) avslöjar teamet en skog av diskreta defekter vars fingeravtryck framträder som skarpa toppar i kubitens relaxationsspektrum. Många av dessa defekter håller kvar energi i millisekundområdet, men de förlorar faskoherens snabbt, så de utbyter energi med kubiten på ett bullrigt, inkompatibelt sätt snarare än som rena svängningar. Genom att jämföra de observerade spektrumen med datorsimuleringar av det elektriska fältet inne i kretsarna, drar författarna slutsatsen att de dominerande defekterna sannolikt lever i tunnellagren i den långa kedjan av Josephson-övergångar som bildar fluxoniumens superinduktans, snarare än på bredare ytor på kretskortet.

Defekters egenskaper över enheter och designer

Forskarna utför liknande mätningar på en andra fluxonium-enhet byggd i en plan arkitektur och finner återigen ungefär ett dussin starka defekter med livslängder som sträcker sig från hundratals mikrosekunder till millisekunder. Utifrån antalet och styrkan hos de observerade resonanserna sluter de sig till att dessa defekter har yt-täthet och elektriska dipolmoment som är anmärkningsvärt lika de som rapporterats för aluminiumoxiddefekter vid mycket högre mikrovågsfrekvenser. Detta tyder på ett gemensamt fysikaliskt ursprung som sträcker sig över nästan två frekvensdekader. Samtidigt verkar bakgrundsförluster från mer konventionella dielektriska ytor vara tillräckligt låga så att fluxoniums, i frånvaro av resonanta defekter, rutinmässigt skulle kunna uppnå millisekund-livslängder eller bättre.

Konsekvenser för framtida kvantmaskinvara

Sammanfattningsvis målar studien en dämpad men handlingsorienterad bild: den begränsande faktorn för fluxonium-kubits är inte generell materialförlust, utan ett tätt landskap av långlivade mikroskopiska defekter inbäddade i junction-kedjorna. Eftersom dessa defekter introducerar långsamma, historikberoende dynamiker försvårar de ansträngningar att stabilisera och skala upp bruskänsliga kubitdesigner som förlitar sig på långa junction-arrayer eller andra högimpedans-element. Författarna argumenterar för att minskning av defektdensiteten i junction-oxiderna, eller att ersätta junction-kedjor med alternativa, lågförlustiga induktiva strukturer, blir avgörande för ytterligare förbättringar i koherens. Samtidigt erbjuder deras två-tidsskala relaxometrimetod ett praktiskt verktyg för att rutinmässigt upptäcka non-Markovianskt beteende i många typer av kubits, vilket hjälper ingenjörer att diagnostisera och så småningom tämja de dolda minnena i kvantenheter.

Citering: 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

Nyckelord: fluxonium-kubits, tvånivåsyst em, non-Markoviansk relaxation, supraledande kvantkretsar, kubitavkoherens