Quasiparticle-induced decoherence of a driven superconducting qubit

Auf der Suche nach dem Bau eines Computers, der Probleme lösen kann, die jenseits der Reichweite heutiger Maschinen liegen, wenden sich Wissenschaftler der seltsamen Welt der Quantenmechanik zu. Das Herzstück dieser Bemühungen sind supraleitende Qubits, winzige elektrische Schaltkreise, die als die grundlegenden Einheiten der Information fungieren. Um zu funktionieren, müssen diese Schaltkreise auf Temperaturen gehalten werden, die kälter als der tiefe Weltraum sind, nahe dem absoluten Nullpunkt. Unter diesen eisigen Bedingungen fließt Elektrizität ohne jeglichen Widerstand, und der Schaltkreis verhält sich wie ein einziges, vereintes Quantenobjekt. Doch selbst bei diesen extremen Temperaturen ist das Material nicht perfekt rein. Winzige, zerbrochene Fragmente des supraleitenden Zustands, bekannt als Quasiteilchen, können dennoch existieren. Diese Fragmente wirken wie herumstreunende Elektronen, die sich in den Schaltkreis einschleichen und seinen empfindlichen Quantenzustand stören können, was Fehler verursacht. Jahrelang haben Ingenieure versucht, dies zu lösen, indem sie Schaltkreise mit einer spezifischen Energiebarriere entwarfen, die es diesen umherstreifenden Teilchen erschwert, zu überqueren, und so das Qubit effektiv vor deren Interferenz abschirmt.

Trotz dieser klugen technologischen Kniffe enthüllt eine neue Studie, dass eben jenes Werkzeug, das zur Steuerung des Qubits verwendet wird – das Mikrowellensignal, das ihm sagt, was es tun soll –, unbeabsichtigt diese schlummernden Probleme wecken kann. Die Forscher, die mit supraleitenden Schaltkreisen bei Google Quantum AI und Universitäten in den USA arbeiteten, entdeckten, dass wenn ein Qubit durch ein Mikrowellensignal dazu angeregt wird, eine Berechnung oder eine Messung durchzuführen, die Energie dieses Signals den Quasiteilchen helfen kann, die Barrieren zu überwinden, die eigentlich dazu gedacht waren, sie aufzuhalten. Es ist, als ob das Mikrowellensignal einen Energieschub liefert, der einem blockierten Teilchen ermöglicht, einen Zaun zu überspringen, den es aus eigener Kraft nicht überqueren könnte. Dies geschieht auf zwei verschiedene Arten. In der ersten Art absorbiert ein bereits vorhandenes umherstreifendes Teilchen ein Energiepaket aus dem Mikrowellensignal und ein Energiepaket vom Qubit selbst, was es ihm ermöglicht, durch den Schaltkreis zu tunneln und den Zustand des Qubits zu kippen. Im zweiten Fall ist das Mikrowellensignal so intensiv, dass mehrere Pakete seiner Energie zusammenkommen, um ein Paar von Elektronen aufzubrechen, die zuvor miteinander gebunden waren, wodurch zwei neue umherstreifende Teilchen entstehen und das Qubit in einen unbeabsichtigten Zustand springt.

Das Team entwickelte eine detaillierte Theorie, um zu erklären, wie diese Prozesse ablaufen, wobei der Fokus auf einem spezifischen Typ von Schaltkreis liegt, dem sogenannten Transmon, der in der Quantencomputerkalkulation weit verbreitet ist. Sie fanden heraus, dass die Rate, mit der diese Fehler auftreten, direkt von der Stärke und der Frequenz des verwendeten Mikrowellensignals abhängt. Wenn das Signal stark genug ist, kann es die Vorteile der durch die Energiebarriere erzielten Konstruktion vollständig zunichtemachen und dazu führen, dass das Qubit seine Informationen viel schneller verliert als erwartet. Dies ist ein entscheidender Befund, da er eine fundamentale Grenze für die Genauigkeit setzt, mit der diese Computer operieren können. Die Forscher zeigten, dass bei den derzeit gebräuchlichsten fortschrittlichsten Auslesemethoden das Vorhandensein dieser Teilchen Fehlerraten verursachen kann, die signifikant genug sind, um bei hochpräzisen Berechnungen eine Rolle zu spielen. Überraschenderweise fanden sie auch, dass, während eine Art von Fehler bei bestimmten Einstellungen blockiert werden kann, eine andere Art, die die Absorption mehrerer Mikrowellenpakete beinhaltet, dennoch auftreten kann, was bedeutet, dass das Problem nicht einfach durch das Herunterfahren des Signals gelöst werden kann.

Die Studie untersuchte auch, wie sich diese Fehler verändern, wenn der Schaltkreis durch ein Magnetfeld abgestimmt wird. Sie entdeckten, dass sich bei bestimmten Einstellungen die durch einzelne Mikrowellenpakete verursachten Fehler aufgrund eines subtilen Interferezeffekts gegenseitig aufheben, aber dieser Schutz verschwindet, wenn der Schaltkreis auf andere Einstellungen abgestimmt wird. In jenen Fällen werden die durch die Absorption von zwei Mikrowellenpaketen verursachten Fehler zur dominierenden Fehlerquelle. Dieser Zwei-Photonen-Prozess ist besonders knifflig, da er selbst dann auftreten kann, wenn der Einzelpaket-Prozess blockiert ist, und er wird wahrscheinlicher, wenn die Mikrowellenfrequenz steigt. Die Forscher berechneten, dass für einen typischen Aufbau die Wahrscheinlichkeit dieser Fehler direkt mit der Anzahl der umherstreifenden Teilchen im Gerät verknüpft ist. Wenn die Anzahl dieser Teilchen steigt, beispielsweise durch Strahlung, die auf das Gerät trifft, steigt die Fehlerrate proportional an, was die Genauigkeit des Outputs des Computers um eine merkliche Menge reduzieren kann.

Diese Arbeit legt nahe, dass der Weg zu zuverlässigem Quantencomputing komplexer ist als nur der Bau besserer Barrieren. Die Forscher weisen darauf hin, dass es zwar essenziell ist, das Qubit vor umherstreifenden Teilchen abzuschirmen, die Methode, mit der das Qubit gesteuert wird, jedoch ebenfalls sorgfältig gestaltet werden muss, um den Teilchen nicht die Energie zu geben, die sie benötigen, um Unwesen zu treiben. Sie schlagen vor, dass zukünftige Designs möglicherweise Übergänge mit höheren Energiebarrieren benötigen oder spezielle Fallen enthalten sollten, um diese Teilchen abzufangen, bevor sie die sensiblen Teile des Schaltkreises erreichen. Die Ergebnisse unterstreichen auch einen Zielkonflikt bei Hochfrequenz-Auslesemethoden: Während die Verwendung höherer Frequenzen die Geschwindigkeit und Klarheit der Messung verbessern kann, birgt das zu hohe Treiben der Frequenz das Risiko, Elektronenpaare aufzubrechen und neue Fehler zu erzeugen. Die Studie behauptet nicht, das Problem der Quasiteilchen-Interferenz gelöst zu haben, aber sie liefert eine klare Karte darüber, wo die Gefahren liegen, wenn ein Quantencomputer in Betrieb ist. Indem sie genau verstehen, wie die Mikrowellensteuerung mit diesen umherstreifenden Teilchen interagiert, können Ingenieure nun Systeme entwerfen, die diese spezifischen Fallstricke vermeiden und den Traum eines stabilen, groß angelegten Quantencomputers einen Schritt näher zur Realität bringen.