First Measurement of Correlated Charge Noise in Superconducting Qubits at an Underground Facility

Das Wesentliche

Das große Ganze: Dem „Rauschen“ eines Quantencomputers lauschen

Stellen Sie sich vor, Sie besitzen ein sehr empfindliches, hochmodernes Musikinstrument (ein supraleitendes Qubit), das eine perfekte, gleichmäßige Note spielen soll. Dieses Instrument ist so sensibel, dass die Note sofort die Tonhöhe verändert, wenn auch nur ein einzelnes Staubkorn darauf landet oder eine winzige Brise dagegen weht.

Wissenschaftler wollen einen „Quantencomputer“ bauen, der aus vielen dieser Instrumente besteht, die zusammen spielen. Aber sie haben ein Problem: Rauschen. Speziell unsichtbare Teilchen aus dem Weltraum (kosmische Strahlen) und natürliche Hintergrundstrahlung (Gammastrahlen) treffen ständig auf das Instrument und lassen es „springen“ oder Fehlfunktionen erleiden. Diese Fehlfunktionen werden als Ladungssprünge bezeichnet.

In dieser Arbeit geht es um ein Team von Wissenschaftlern, die ihr empfindliches Instrument tief unter die Erde gebracht haben, um zu sehen, ob sie das Rauschen weit genug dämpfen können, um die Musik klar zu hören.

Das Experiment: Tief unter der Erde

1. Der Ort (Der tiefe Bunker)
Die Wissenschaftler verlegten ihr Experiment von einem Labor an der Oberfläche in eine Einrichtung namens NEXUS, die sich 107 Meter (etwa 35 Stockwerke) tief in einem Gesteinstunnel bei Fermilab befindet.

• Die Analogie: Stellen Sie sich die Erdoberfläche wie eine belebte Autobahn vor, auf der ständig Autos (kosmische Strahlen) vorbeizischen. Die unterirdische Anlage ist wie ein tiefer Bunker. Das dicke Gestein darüber wirkt wie ein massiver Schutzschild, der über 99 % der „Autos“ blockiert, die hineinfahren wollen.

2. Der Schild (Die Bleidecke)
Selbst unter der Erde gelangt noch etwas Strahlung durch. Um dies weiter zu testen, baute das Team eine bewegliche „Decke“ aus dickem Blei um ihr Experiment herum.

• Die Analogie: Stellen Sie sich vor, Sie tragen einen schweren, bleigefütterten Regenmantel. Wenn der Mantel an ist (Schild geschlossen), sind Sie vor dem Regen (Gammastrahlen) geschützt. Wenn Sie ihn ausziehen (Schild offen), werden Sie nass. Die Wissenschaftler wollten sehen, wie viel „Regen“ ihr Instrument in beiden Szenarien tatsächlich traf.

3. Die Messung (Die Ladungssprünge)
Die Qubits in diesem Experiment sind als „Elektrometer“ konzipiert – sie sind wie winzige Waagen, die elektrische Ladung wiegen können. Wenn ein Teilchen auf den Chip trifft, erzeugt es einen winzigen elektrischen Impuls, der die „Waage“ springen lässt.

• Die Analogie: Stellen Sie sich ein Trampolin vor. Wenn jemand darauf springt, hüpft es. Wenn eine winzige Fliege darauf landet, bewegt es sich kaum. Die Wissenschaftler beobachteten die „Hüpfer“ (Ladungssprünge) auf ihrem Quanten-Trampolin. Sie suchten speziell nach korrelierten Sprüngen – also Zeitpunkten, an denen zwei verschiedene Trampoline exakt gleichzeitig hüpften. Das ist schlecht für Quantencomputer, da es bedeutet, dass ein einziger Aufprall einer kosmischen Strahlung beide getroffen hat, was einen doppelten Fehler verursacht hat.

Was sie herausgefunden haben

1. Der „Regen“ wurde leichter, aber nicht wie erwartet
Als sie den Bleischild schlossen, sank die Anzahl der Ladungssprünge.

• Das Ergebnis: Die Sprünge gingen um etwa den Faktor 2,7 zurück.
• Die Überraschung: Die Wissenschaftler maßen die Strahlung, die auf den Schild traf, und stellten fest, dass der „Regen“ (Gammastrahlen) tatsächlich um den Faktor 20 abgenommen hatte.
• Die Metapher: Es ist, als würde man einen Regenmantel anziehen, der 95 % des Regens abhält, man sich aber nur um 30 % weniger nass fühlt. Dies sagte den Wissenschaftlern, dass der Schild zwar den externen Regen blockierte, es aber irgendwo anders ein „Leck“ gab. Es gibt eine zusätzliche Geräuschquelle, die aus dem Inneren der Maschine selbst kommt (vielleicht von den Materialien innerhalb des Kühlschranks oder von im Chip gefangenen Ladungen), die der Bleischild nicht aufhalten konnte.

2. Die „stille“ Zone (Keine korrelierten Sprünge)
Die spannendste Entdeckung machte sich, als sie untersuchten, wie weit die Qubits voneinander entfernt waren.

• Der Aufbau: Sie hatten vier Qubits. Zwei waren sehr nah beieinander (wie Nachbarn) und zwei waren weit voneinander entfernt (wie Nachbarn, die auf gegenüberliegenden Seiten einer Straße wohnen).
• Das Ergebnis: Als der Schild geschlossen war, führten die Wissenschaftler das Experiment über 22 aufeinanderfolgende Stunden durch. Während dieser gesamten Zeit sprangen die zwei Qubits, die weit voneinander entfernt waren (mehr als 3 Millimeter), niemals gleichzeitig.
• Die Metapher: Stellen Sie sich zwei Personen vor, die 3 Meter voneinander entfernt stehen. Wenn ein einzener riesiger Felsbrocken vom Himmel fällt, könnte er beide treffen. Aber in diesem Experiment war über einen ganzen Tag lang kein einziger „Felsbrocken“ groß genug, um beide entfernten Qubits gleichzeitig zu treffen. Sie erreichten eine „stille Zone“, in der Fehler nicht zwischen entfernten Teilen des Computers übertragen wurden.

Das Fazit

Die Arbeit behauptet drei wesentliche Dinge:

1. Unter der Erde hilft es: Den Versuch unter die Erde zu verlegen, reduzierte die durch kosmische Strahlen verursachten Fehler erheblich.
2. Es gibt ein Rätsel: Selbst tief unter der Erde mit einem Bleischild gibt es immer noch mehr Rauschen als erwartet. Es kommt nicht nur von außen; etwas im Inneren der Ausrüstung verursacht immer noch „Störsignale“.
3. Abstand spielt eine Rolle: Zum ersten Mal haben sie bewiesen, dass man, wenn man seine Quantenbits weit genug auseinander platziert (mehr als 3 mm) und gut abschirmt, „korrelierte Fehler“ (bei denen ein Fehler eine Kettenreaktion von Fehlern auslöst) über längere Zeiträume verhindern kann.

Was sie NICHT behauptet haben:
Die Arbeit besagt nicht, dass sie bereits einen funktionierenden Quantencomputer gebaut haben, der Probleme lösen kann. Sie behauptet auch nicht, dass dies alle Fehler für immer behebt. Sie berichtet streng darüber, wie das „Rauschen“ gemessen wurde und beweist, dass das Rauschen unter der Erde mit Abschirmung auf ein Niveau reduziert werden kann, auf dem entfernte Qubits sich nicht gegenseitig stören.

Technische Zusammenfassung

Technische Zusammenfassung: Erste Messung korrelierten Ladungsrauschens in supraleitenden Qubits in einer Untergrundanlage

Problemstellung
Ionisierende Strahlung wird zunehmend als signifikante Quelle von Dekohärenz und korrelierten Fehlern in supraleitenden Qubits erkannt. Vorherige Studien haben eine Korrelation zwischen dem ionisierenden Strahlungsfluss (speziell kosmische Strahlung und Umgebungsgammas) und den Energie-Relaxationsraten ($1/T_1$) sowie simultanen Multi-Qubit-Fehlern festgestellt. Diese korrelierten Fehler stellen eine Herausforderung für die Wirksamkeit von quantenfehlerkorrigierenden Surface-Codes dar. Während Labore an der Oberfläche einem hohen Fluss von kosmischen Myonen und Umgebungsgammas ausgesetzt sind, erfordert die spezifische Bestimmung des Beitrags dieser Quellen zum Ladungsrauschen im Qubit-Substrat sowie die Fähigkeit zur deren Abschwächung eine Isolation von den Hintergrundquellen auf Oberflächenniveau. Darüber hinaus erfordern die Mechanismen, durch die ionisierende Ereignisse Ladungssprünge im Substrat induzieren (via Elektron-Loch-Paar-Produktion, Phononendiffusion und Ladungstrapping), die auf Zeitskalen von Nanosekunden bis zu Tagen operieren, eine Langzeitüberwachung, um die Rauschumgebung vollständig zu charakterisieren.

Methodik
Die Autoren führten Messungen an einem vier-Qubit-schwach ladungssensitiven Transmon-Device durch ($E_J/E_C = 24$), das von einem Labor an der Oberfläche in Madison, WI, an den Northwestern EXperimental Underground Site (NEXUS) bei Fermilab, 107 Meter unter der Erde, verlegt wurde. Diese Tiefe bietet eine Gesteinsüberdeckung, die 225 Metern Wasser entspricht, wodurch der kosmische Myonenfluss im Vergleich zum Meeresspiegel um über 99 % reduziert wird.

Der Versuchsaufbau umfasste:

• Abschirmung: Ein modularer Bleischild mit $4\pi$-Abdeckung um die Kryostat-Last, um die Umgebungsgammas zu dämpfen.
• Kryogenik: Das Device wurde in einem Verdünnungskühlschrank bei einer Basistemperatur von 10,5 mK innerhalb einer Reinraumumgebung betrieben, um Partikelkontamination zu minimieren.
• Strahlungsüberwachung: Ein $Li_2MoO_4$ (LMO)-Kristall, der mit einem Transition Edge Sensor (TES) ausgestattet war, wurde 18,7 cm vom Qubit-Chip entfernt innerhalb desselben Kryostaten platziert, um den Gammafluss und das Spektrum unabhängig zu messen.
• Messprotokoll: Das Team setzte Ramsey-Tomographie-Sequenzen ($X/2 - \text{Idle} - X/2$) ein, um die Offset-Ladung ($n_g$) auf den Qubit-Inseln auf die angeregte Zustandswahrscheinlichkeit ($P_1$) abzubilden. Durch das Scannen der Ladungs-Bias und die Analyse der Phasenentwicklung detektierten die Forscher diskontinuierliche Sprünge in der induzierten Ladung.
• Datenanalyse: Ein rollender $\chi^2$-Minimierungsalgorithmus wurde verwendet, um die Tomographie-Scans gegen eine aus sprungsfreien Scans abgeleitete Vorlage zu fitten. Diese Methode identifizierte Ladungssprünge mit Magnituden von $0,1e \le |\Delta q| \le 0,5e$. Die Effizienz dieser Detektionsmethode wurde mittels Simulation validiert und liegt bei über 70 %.

Es wurden zwei primäre Datensätze gesammelt:

1. Shield Open (SO): Bedingungen des umgebenden Gammaflusses.
2. Shield Closed (SC): Minimale Gammafluss-Bedingungen (Bleischild geschlossen).

Wichtigste Ergebnisse

• Ladungssprungraten: Die durchschnittliche Ladungssprungrate für die vier Qubits wurde in der Shield-Open-Konfiguration mit $0,51^{+0,05}_{-0,04}$ mHz gemessen und sank in der Shield-Closed-Konfiguration auf $0,19^{+0,04}_{-0,03}$ mHz.
• Gammafluss-Korrelation: Der LMO-Detektor maß einen Reduktionsfaktor des Gammaflusses von $20 \pm 1$ (für Energien $>150$ keV), wenn der Schild geschlossen war. Die Ladungssprungrate verringerte sich jedoch nur um den Faktor 2,7. Diese Diskrepanz deutet darauf hin, dass die Ladungssprungrate in der hintergrundarmen SC-Konfiguration nicht primär durch externen Gammafluss dominiert wird.
• Überschussrate: Durch Subtraktion der SC-Rate von der SO-Rate (unter Berücksichtigung eines konstanten Hintergrundüberschusses) berechneten die Autoren eine Gamma-induzierte Sprungrate von $0,34^{+0,07}_{-0,06}$ mHz und eine Überschussrate von $0,17^{+0,04}_{-0,03}$ mHz, die in beiden Konfigurationen vorhanden ist. Dieser Überschuss ist inkonsistent mit den erwarteten Myonenraten ($\sim 0,08$ mHz/cm$^2$) und dem umgebenden Gammafluss allein.
• Korreliertes Rauschen: Die Studie untersuchte korrelierte Ladungssprünge zwischen Qubit-Paaren. Für Qubits, die weniger als 1 mm voneinander entfernt sind (340 $\mu$m und 640 $\mu$m), wurden korrelierte Sprünge beobachtet. Für Qubit-Paare mit Abständen größer als 3 mm (speziell 3,18 mm bis 3,33 mm) beobachtete das Team jedoch null korrelierte Ladungssprünge über 22 aufeinanderfolgende Stunden kontinuierlicher Operation in der Shield-Closed-Konfiguration.
• Größe der Sprünge: Die detektierten Ladungssprünge bewegten sich im Bereich von $0,1e$ bis $0,5e$.

Bedeutung und Behauptungen
Das Paper beansprucht, die erste Messung korrelierten Ladungsrauschens in einem ladungssensitiven Qubit-Chip in einer Untergrundanlage präsentiert zu haben. Die primäre Bedeutung liegt in dem Nachweis, dass der Wechsel in eine Untergrundanlage die Rate von Ladungs-Burst-Ereignissen signifikant reduziert, wenn auch nicht so drastisch, wie es die Reduktion des Myonenflusses allein vermuten ließe, was auf andere Strahlungsquellen oder interne Mechanismen hindeutet.

Entscheidend ist der Bericht über die erste Eliminierung korrelierten Ladungsrauschens in ladungssensitiven Qubits, die mehr als 3 mm voneinander entfernt sind, über Zeiträume von annähernd einem Tag. Dieses Ergebnis ist signifikant für das fehlertolerante Quantencomputing, da es nahelegt, dass die räumliche Trennung von Qubits die durch ionisierende Strahlung induzierten korrelierten Fehler in Umgebungen mit geringem Hintergrund effektiv mildern kann. Zudem tragen die Ergebnisse zum Verständnis von supraleitenden Qubits als Teilchendetektoren für die fundamentale Physik bei, indem sie die Notwendigkeit hervorheben, spezifische strahlungsinduzierte Fehlermechanismen zu charakterisieren und zu entschärfen. Die Autoren merken an, dass der Ursprung der in der abgeschirmten Konfiguration beobachteten „Überschuss“-Ladungsbursts weiterhin eine offene Frage bleibt, wobei potenzielle Kandidaten die Relaxation von eingefangener Ladung, Sekundärteilchen aus kosmogenen Wechselwirkungen mit Kryostatmaterialien oder anomale lokale Strahlungsquellen sind.