Kartlägga positionerna för tvånivås-system på ytan av en supraledande transmon qubit

Jakt på dolda fel i kvantchip

Supraledande kvantdatorer lovar att hantera problem som dagens maskiner inte klarar av, men de begränsas av små defekter som tyst urholkar deras prestanda. Denna studie visar hur man lokaliserar dessa störningskällor, kallade tvånivåsystem, på ytan av en vanligt använd typ av kvantbit, vilket hjälper ingenjörer att se exakt vilka delar av ett chip som skadar pålitligheten mest.

Varför små defekter spelar roll

I de fasta material som bygger en kvantprocessor sitter vissa atomer inte stilla på ett ställe utan kan tunna mellan två närliggande positioner. Varje sådan defekt beter sig som en liten strömbrytare med två tillstånd, känd som ett tvånivåsystem. När dessa växlar bär laddning interagerar de starkt med de känsliga elektriska fälten som lagrar information i en supraledande qubit. Om en qubits energi kan flöda in i en närliggande defekt, dämpas det kvantiska tillståndet snabbare och kvibtens användbara livslängd förkortas.

Göra kvantbitar till lokala sensorer

Forskarna använder en transmon‑qubit, en vitt använd design byggd av en korsformad metallö omgivet av en jordplan och kopplad via ett par Josephson‑junctions. Runt denna struktur mönstrade de fyra extra metallplattor som fungerar som gate‑elektroder. Genom att applicera noggrant valda statiska spänningar på dessa plattor skapar de lokala elektriska fält som försiktigt skiftar de naturliga frekvenserna hos närliggande defekter. Eftersom varje defekt svarar olika på varje gate blir qubiten och dess omgivning i praktiken en liten sensorarray som kan avgöra var enskilda defekter är belägna.

Kartlägga defekter via deras elektriska fotavtryck

För att hitta en defekt använder teamet först ett tidsexperiment kallat swap‑spektroskopi. De exciterar qubiten, stämmer kortvarigt dess frekvens, och mäter sedan hur mycket energi som återstår. När qubitens frekvens matchar en defekts frekvens byts energi mellan dem och qubiten återhämtar sig snabbare, vilket avslöjar defekten som en dipp i livslängd. Genom att upprepa detta samtidigt som man sveper spänningarna på varje gate visar man hur starkt den defekten förskjuts när varje platta biasas. Mönstret av dessa skift jämförs sedan med detaljerade datorsimuleringar av de elektriska fälten runt qubiten, vilket gör det möjligt för teamet att triangulera den mest sannolika positionen för varje defekt på chipets yta.

Var defekterna faktiskt sitter

Med denna metod kartlade forskarna 55 individuella ytfel på en enda transmon‑qubit. Överraskande nog klustrade nästan sextio procent av de problematiska defekterna nära de smala ledningarna till Josephson‑junctions, trots att större delen av chipets area och elektriska fältenergi ligger i de stora kapacitorplattorna och jordplanet. Analysen tyder på att tätheten av defekter är ungefär dubbelt så hög nära junction‑ledningarna som på de bredare metallytorna. Detta pekar på tillverkningsprocessen för chippet i sig — särskilt lift‑off‑tekniken som används för att mönstra junction‑ledningar — som en sannolik källa till extra oordning, rester och ytgrovhet som främjar defektbildning.

Vägledning för bättre kvantmaskinvara

Genom att visa inte bara hur många defekter som kopplar till en qubit utan också exakt var de är vanligast ger detta arbete chipdesigners ett nytt verktyg för att fokusera sina insatser. Resultaten talar för renare och skonsammare bearbetning nära junction‑ledningarna, för att utforma ledningar så att elektriska fält sprids, och för att använda on‑chip‑elektroder för att knuffa de mest skadliga defekterna bort från qubitfrekvenserna. I enkla termer erbjuder studien en karta över de värsta problemområdena på ett kvantchip och föreslår praktiska vägar mot lugnare, längre‑livade qubits.

Citering: 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

Nyckelord: supraledande qubits, tvånivås-system, kvantdekoherens, Josephson‑junctions, tillverkning av kvantmaskinvara