通量子量子比特的非马尔可夫弛豫光谱学

为什么微小缺陷会影响量子计算机

量子计算机承诺在某些问题上远快于当今机器，但其基本信息单元——量子比特——非常脆弱。本文探讨了为何一些表现优异的超导量子比特——称为通量子（fluxonium）——有时会以带有记忆效应的方式失去能量。作者表明，材料中隐匿的微观缺陷可以在毫秒尺度上悄然存储并释放能量，微妙地扰动量子比特并挑战标准的量子硬件测量与改进方法。

超导电路中的隐秘罪魁

在大多数教科书表述中，量子比特置于一个无特征、会立刻忘记所有相互作用的环境中，因此其能量衰减表现为简单平滑的指数曲线。但实际器件更为混乱。在用于构建超导电路的薄铝氧化物玻璃状层中，无数原子尺度的缺陷可以表现为微小的双态系统。每个这样的“双能级系统”都可以与量子比特交换能量，并且随后缓慢弛豫，充当周围材料中的一种微观记忆元件。早期工作曾暗示这些缺陷的寿命可能比量子比特本身还长，但标准的寿命测量假定环境是忘却性的，因而容易遗漏这种隐藏的记忆。

一种同时监听两种时钟的新方法

作者引入了一种称为双时尺度弛豫测量（two-timescale relaxometry）的方法，旨在同时追踪量子比特和其环境。他们不是只制备一次量子比特并观测其衰减，而是反复重置并在许多短的、类似T1的片段中测量量子比特，同时在更长时间尺度上有意将周围缺陷推向更高或更低的能量。通过拟合每个短片段中量子比特初始弛豫的速度，然后观察该表观速率在数十毫秒内如何漂移，他们可以将快速的量子比特衰减与缺陷浴的慢重排分别识别出来。关键是，该协议在量子比特读出不完美且有一定破坏性的情况下仍能工作，使其适用于典型的实验装置。

在通量子中发现了什么

将该方法应用于工作在异常低频率（约0.1–0.4 GHz）的高相干通量子，研究团队发现了一片离散缺陷的森林，其指纹在量子比特的弛豫频谱中表现为尖锐峰值。许多这些缺陷能在毫秒尺度上保持能量，但它们很快丧失相位相干，因此它们与量子比特交换能量的方式是噪声驱动的、非相干的，而不是干净的振荡。通过将观测到的频谱与电路内部电场的计算机模拟相比对，作者得出结论：主导缺陷很可能存在于构成通量子超感抗的长串约瑟夫森结的隧穿氧化层中，而不是在更广泛的芯片表面上。

跨器件与设计的缺陷特性

研究人员在第二个采用平面结构的通量子器件上进行了类似测量，依然发现大约十几个强烈缺陷，其寿命从数百微秒到毫秒不等。根据观测到的共振数量和强度，他们推断这些缺陷的面积密度和电偶极矩与在高出近两个量级微波频率下报道的铝氧化物缺陷非常相似。这表明一种跨越近两级频率范围的共同物理起源。与此同时，更常见的介电表面带来的背景损耗似乎足够低，以致在不存在共振缺陷的情况下，通量子有望常规地实现毫秒级或更长的寿命。

对未来量子硬件的影响

总体而言，该研究描绘了一个令人警醒但可采取行动的图景：限制通量子相干性的不是普遍的材料损耗，而是嵌入结链中的大量长寿命微观缺陷景观。由于这些缺陷引入了缓慢且依赖历史的动力学，它们使得依赖长结阵列或其他高阻抗元件的噪声保护量子比特设计的稳定化与规模化变得更为复杂。作者认为，降低结氧化层中的缺陷密度，或用替代的低损耗电感结构替换结链，将对应进一步提升相干性的努力至关重要。同时，他们提出的双时尺度弛豫测量为例行检测各种量子比特中非马尔可夫行为提供了实用工具，帮助工程师诊断并最终驯服量子器件中隐蔽的记忆效应。

引用: 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

关键词: 通量子量子比特, 双能级系统, 非马尔可夫弛豫, 超导量子电路, 量子比特退相干