Characterization of drive-induced unwanted state transitions in superconducting circuits

Auf der Suche nach dem Bau eines Quantencomputers eilen Wissenschaftler darum, das Verhalten der Materie auf ihren kleinsten Skalen zu beherrschen. Eines der vielversprechendsten Werkzeuge für diese Aufgabe ist der supraleitende Schaltkreis, eine winzige elektronische Schleife aus Materialien, die Elektrizität ohne jeglichen Widerstand leiten, wenn sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Diese Schaltkreise fungieren als künstliche Atome, die in der Lage sind, Informationen in einem Zustand der Quantensuperposition zu halten, in dem sie gleichzeitig in mehreren Konfigurationen existieren können. Um diese Schaltkreise nutzbar zu machen, müssen Forscher in der Lage sein, sie mit extremer Präzision zu steuern, indem sie Mikrowellenpulse verwenden, um ihre Zustände zu kippen, Berechnungen durchzuführen und die Ergebnisse auszulesen. Doch wenn diese Maschinen komplexer werden, tritt ein hartnäckiges Problem auf: Die Signale, die zur Steuerung der Schaltkreise verwendet werden, können die Schaltkreise manchmal dazu bringen, Fehlfunktionen zu erleiden, in unerwünschte Zustände zu springen und die Informationen zu verlieren, die sie eigentlich halten sollten. Dieses Problem stellt einen großen Engpass dar, der begrenzt, wie schnell und wie genau diese Quantenmaschinen arbeiten können.

Ein Team von Forschern der Yale University hat nun genau kartiert, wie und warum diese Fehlfunktionen auftreten. Indem sie einen spezifischen Typ eines supraleitenden Schaltkreises, bekannt als Transmon, einem breiten Spektrum an Mikrowellenfrequenzen und Leistungsstufen aussetzten, entdeckten sie, dass unerwünschte Zustandsübergänge nicht durch einen einzelnen Fehler verursacht werden, sondern durch drei verschiedene physikalische Mechanismen. Der erste Mechanismus beinhaltet, dass der Mikrowellenantrieb den Schaltkreis versehentlich in Resonanz mit unsichtbaren, parasitären Defekten in den umgebenden Materialien bringt. Der zweite ist eine intrinsische Eigenschaft des Schaltkreises selbst, bei der der Antrieb das System dazu zwingt, mehrere Photonen gleichzeitig zu absorbieren, was es in hochenergetische Zustände treibt, die es nie erreichen sollte. Der dritte Mechanallismus ist eine Form der Streuung, bei der der Antrieb den Schaltkreis dazu bringt, den Zustand zu ändern, während er überschüssige Energie in in das Gehäuse des Geräts eingeschlossene, herumstreuende elektromagnetische Wellen abgibt.

Die Forscher gingen bei diesem Problem vor wie Kartografen, die eine gefährliche Landschaft kartieren. Sie richteten ein Experiment ein, bei dem sie ihren Schaltkreis in einem bekannten Zustand vorbereiteten und ihn dann mit einem „Pump“-Mikrowellenpuls bombardierten, der in sowohl Frequenz als auch Leistung variierte. Sie maßen daraufhin, in welchem Zustand der Schaltkreis endete. Durch das Abfahren der Antriebsfrequenz über einen massiven Bereich, von etwa 2,8 Gigahertz bis 11,8 Gigahertz, und durch Anpassung der Leistung erstellten sie eine detaillierte Karte jeder möglichen Art und Weise, wie der Schaltkreis vom Kurs abkommen konnte. Diese Karte enthüllte ein komplexes Terrain aus Resonanzen, das als helle Linien und unscharfe Flecken erschien, an denen die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers sprunghaft anstieg. Das Ziel des Teams war es, diese Merkmale in ihre drei Kategorien zu sortieren und die Ursache jedes einzelnen zu verstehen, damit zukünftige Designs diese vermeiden können.

Die erste Kategorie von Problemen, die die Forscher als resonanten Energieaustausch identifizierten, verhält sich anders als die anderen. Diese Übergänge hängen nicht von der spezifischen Frequenz des Mikrowellenantriebs ab, sondern davon, wie sehr der Antrieb die Energieniveaus des Schaltkreises verschiebt. Wenn ein starkes Mikrowellensignal angewendet wird, drückt es die natürliche Frequenz des Schaltkreises nach oben oder unten, ein Phänomen, das als ac-Stark-Verschiebung bekannt ist. Wenn diese Verschiebung die Frequenz des Schaltkreises so verändert, dass sie mit der Frequenz eines winzigen, verborgenen Defekts im Material – oft als Zwei-Niveau-System bezeichnet – übereinstimmt, kann der Schaltkreis seine Energie plötzlich in diesen Defekt abgeben. Die Forscher beobachteten dies, indem sie beobachteten, wie der Schaltkreis über die Zeit zerfiel. Sie fanden heraus, dass diese Defekte nicht statisch sind; sie driften und wechseln zwischen verschiedenen Frequenzen über Zeiträume von Minuten oder Stunden, was ein sich ständig änderndes Ziel schafft, das schwer vorhersehbar ist. Dieser Mechanismus ist eine primäre Ursache für den Energieverlust, was die Dauer begrenzt, die die Quanteninformation überleben kann.

Die zweite Kategorie besteht aus Übergängen, die in das Design des Schaltkreises selbst eingebaut sind. Selbst wenn das Gerät perfekt von der Außenwelt isoliert wäre, könnte der Mikrowellenantrieb den Schaltkreis dazu zwingen, zwei oder mehr Photonen gleichzeitig zu absorbieren. Da der Schaltkreis nichtlinear ist, was bedeutet, dass seine Reaktion je nach Zustand variiert, kann er direkt vom Grundzustand in einen viel höheren, nicht-komputationellen Zustand springen, indem er mehrere Antriebsphotonen in einem einzigen Ereignis verschlingt. Die Forscher nutzten fortschrittliche Computersimulationen basierend auf den Gesetzen der Quantenmechanik, um genau vorherzusagen, wo diese Sprünge stattfinden würden. Die Simulationen stimmten hervorragend mit den experimentellen Daten überein und bestätigten, dass diese Übergänge ein inhärentes Merkmal der Physik des Schaltkreises sind. Die Forscher merkten an, dass diese Sprünge „unscharf“ oder verbreitert werden, weil die interne elektrische Ladung des Schaltkreises im Laufe der Zeit leicht driftet, was die exakten Bedingungen für den Sprung verschwimmen lässt.

Die dritte Kategorie beinhaltet die Wechselwirkung des Schaltkreises mit der durch die physische Struktur des Geräts geschaffenen elektromagnetischen Umgebung. Wenn der Mikrowellenantrieb auf den Schaltkreis trifft, kann er streuen, wobei er den Zustand des Schaltkreises ändert und gleichzeitig eine herumstreuende elektromagnetische Welle in der Metallhülle oder dem Paket anregt, das den Chip umgibt. Diese herumstreuenden Wellen wirken wie versteckte Resonatoren, und wenn ihre Frequenz mit der durch das Streuereignis erzeugten Energiedifferenz übereinstimmt, wird der Übergang hochwahrscheinlich. Die Forscher fanden heraus, dass diese Moden bei Frequenzen existieren können, die weit über der eigenen Betriebsfrequenz des Schaltkreises liegen, sogar bis zu 28 Gigahertz erreichen. Durch die Durchführung elektromagnetischer Simulationen des gesamten Gerätepakets konnten sie die spezifischen Formen und Orte dieser Moden identifizieren und zeigten, dass das physische Layout des Geräts eine entscheidende Rolle bei der Entstehung dieser Fehler spielt.

Um zwischen diesen drei Ursachen zu unterscheiden, entwickelte das Team eine systematische Methode der Eliminierung. Wenn ein Übergang unabhängig von der Antriebsfrequenz auftrat und nur von der durch die Leistung induzierten Verschiebung abhing, wurde er dem Materialdefekt zugeschrieben. Wenn der Übergang in den Computersimulationen des isolierten Schaltkreises auftauchte, wurde er als intrinsisches Multi-Photonen-Ereignis klassifiziert. Alle verbleibenden Übergänge, die nicht allein durch den Schaltkreis erklärt werden konnten, wurden als inelastische Streuereignisse mit der externen Umgebung identifiziert. Diese Klassifizierung ermöglichte es ihnen, den Ursprung fast jedes im Experiment beobachteten Fehlers zu bestimmen. Sie fanden heraus, dass während einige Übergänge durch das unvorhersehbare Verhalten von Materialdefekten verursacht wurden, der Großteil der komplexen Muster, die sie beobachteten, durch die Simulation der Wechselwirkung des Schaltkreises mit seiner elektromagnetischen Umgebung vorhergesagt werden konnte.

Die Auswirkungen dieser Arbeit erstrecken sich über ein einzelnes Experiment hinaus. Die Forscher zeigten, dass Ingenieure durch das Verständnis der spezifischen Mechanismen hinter diesen Fehlern fundierte Entscheidungen treffen können, um sie zu vermeiden. Beispielsweise zeigten sie, dass bestimmte Antriebsfrequenzen viel sicherer sind als andere und „Fenster“ bieten, in denen der Schaltkreis gesteuert werden kann, ohne diese unerwünschten Übergänge auszulösen. Sie hoben auch hervor, dass das Design des Gerätepakets genauso wichtig ist wie das Design des Schaltkreises selbst, da das Metallgehäuse Resonanzmoden beherbergen kann, die den Betrieb sabotieren. Während die mikroskopischen Defekte in den Materialien eine Herausforderung bleiben, die bessere Fertigungstechniken erfordert, kann die elektromagnetische Umgebung konstruiert und simuliert werden, um ihren Einfluss zu minimieren.

Diese Studie liefert einen umfassenden Rahmen für die Diagnose und Minderung der Fehler, die supraleitende Quantenschaltkreise plagen. Indem sie die Ursachen des Scheiterns in distinkte, verständliche Kategorien unterteilt haben, haben die Forscher einen klaren Weg zur Verbesserung der Treue (Fidelity) von Quantenoperationen aufgezeigt. Ihre Arbeit legt nahe, dass der Schlüssel zum Bau zuverlässigerer Quantencomputer nicht nur darin liegt, bessere Schaltkreise zu bauen, sondern in dem Verständnis des komplexen Tanzes zwischen dem Schaltkreis, den Materialien, aus denen er gebaut ist, und den elektromagnetischen Wellen, die ihn umgeben. Durch sorgfältiges Design und die strategische Auswahl von Steuerfrequenzen ist es möglich, um diese Fallstricke herumzunavigieren und so den Weg für eine robustere und leistungsfähigere Quanteninformationsverarbeitung zu ebnen.