Two-Level System Spectroscopy from Correlated Multilevel Relaxation in Superconducting Qubits

Die Autoren präsentieren eine neue Spektroskopiemethode für festfrequenz-Transmon-Qubits, die durch die Analyse korrelierter Relaxationsraten zwischen verschiedenen angeregten Zuständen die Identifizierung und Verfolgung von Zwei-Niveau-Systemen (TLS) ermöglicht, ohne dass eine Frequenzabstimmung des Qubits erforderlich ist.

Das Wesentliche

Das Rätsel der flüchtigen Geister in der Quanten-Maschine

Stellen Sie sich vor, Sie besitzen ein hochmodernes, digitales Klavier. Dieses Klavier ist so präzise, dass es Töne spielen kann, die so rein sind, dass sie die Grundlage für die Computer der Zukunft bilden könnten. Aber es gibt ein Problem: Manchmal, ganz plötzlich und ohne Vorwarnung, klingt eine Taste etwas dumpf oder ein Ton verhallt viel zu schnell.

Sie können das Klavier nicht öffnen, um nachzusehen, und Sie können die Saiten nicht nachstimmen. Sie müssen einfach nur zuhören und versuchen zu verstehen, was da schiefläuft.

Die „Geister“ in der Maschine (Die TLS-Defekte)

In der Welt der Quantencomputer (den „Superconducting Qubits“) haben wir genau dieses Problem. Die Computer bestehen aus winzigen Schaltkreisen. Diese Schaltkreise sind jedoch nicht perfekt glatt. In den Materialien, aus denen sie gebaut sind, gibt es winzige, unsichtbare „Störfaktoren“. Die Wissenschaftler nennen sie TLS (Two-Level Systems).

Man kann sich diese TLS wie kleine, flüchtige „Geister“ vorstellen, die in den Wänden des Klaviers hausen. Diese Geister haben eine ganz eigene Lieblingsfrequenz – eine Art „Summton“. Wenn der Ton des Klaviers genau mit dem Summen eines Geistes übereinstimmt, fängt der Geist an, die Energie des Klaviers aufzusaugen. Der Ton wird dumpf, die Information geht verloren.

Das Schlimmste: Diese Geister sind unruhig. Sie wandern ständig hin und her. Mal summen sie tief, mal hoch. Das macht es extrem schwer, den Computer stabil zu halten.

Die alte Methode: Das „Stimmgerät“ (Flux-Tuning)

Bisher versuchten Forscher, diese Geister zu finden, indem sie das Klavier (den Qubit) aktiv umstimmen. Wenn man merkte, dass ein Ton schlecht klingt, hat man die Tonhöhe des Klaviers langsam verändert, bis man genau den Punkt traf, an dem der Ton „stirbt“. Dann wusste man: „Aha! Hier sitzt ein Geist!“

Das Problem: Viele moderne Quantencomputer sind so gebaut, dass man ihre Tonhöhe nicht einfach verändern kann (das macht sie stabiler gegen andere Störungen). Man ist also quasi auf die Töne angewiesen, die das Klavier von Natur aus spielt.

Die neue Entdeckung: Das „Echo-Verfahren“ (Multilevel Relaxation)

Die Forscher in diesem Paper haben nun einen genialen Trick erfunden, um die Geister zu finden, ohne das Klavier umstimmen zu müssen.

Anstatt nur eine Taste zu spielen, spielen sie eine Akkord-Folge. Sie nutzen nicht nur den Grundton (den Zustand $|1\rangle$), sondern auch einen höheren, komplexeren Ton (den Zustand $|2\rangle$).

Stellen Sie sich das so vor:
Ein Geist sitzt zwischen zwei Noten. Wenn Sie nur die tiefe Note spielen, merkt er es vielleicht kaum. Aber wenn Sie den hohen Akkord spielen, „hört“ der Geist beide Noten gleichzeitig.

Die Forscher haben beobachtet: Wenn der Geist sich der tiefen Note nähert, wird diese dumpf. Aber im selben Moment bewegt er sich von der hohen Note weg, wodurch diese plötzlich wieder klarer klingt. Es ist wie eine Wippe: Wenn die eine Seite (die tiefe Note) nach unten geht (schlechter wird), geht die andere Seite (die hohe Note) nach oben (besser wird).

Warum ist das wichtig?

Durch dieses „Wippen“ (die Korrelation) können die Forscher die Geister jetzt sogar aus der Ferne beobachten:

1. Sie können die Geister „sehen“, ohne das Gerät zu verändern.
2. Sie können vorhersagen, wohin die Geister wandern. Sie wissen jetzt, wie sich die Frequenz der Störung über Stunden oder Tage verändert.
3. Sie haben entdeckt, dass Geister auch weit entfernt stören. Selbst wenn ein Geist gar nicht direkt auf der Note sitzt, die man gerade spielt, kann sein „Echo“ (sein Einflussbereich) so groß sein, dass er den Computer stört.

Fazit: Die Forscher haben eine neue Art von „Geister-Detektor“ gebaut. Damit können sie die unsichtbaren Fehler in Quantencomputern aufspüren und verstehen, ohne die empfindliche Hardware auch nur ein bisschen zu verbiegen. Das ist ein riesiger Schritt auf dem Weg zu Computern, die nicht mehr plötzlich „verstimmt“ sind.

Technische Zusammenfassung

Zusammenfassung: Zwei-Niveau-System-Spektroskopie durch korrelierte Multilevel-Relaxation in supraleitenden Qubits

Problemstellung

In supraleitenden Transmon-Qubits ist die Dekohärenz – insbesondere die Energie-Relaxation ($T_1$) – primär auf mikroskopische Zwei-Niveau-Systeme (TLS) in den dielektrischen Schichten und Grenzflächen des Chips zurückzuführen. Diese Defekte verursachen zeitliche Fluktuationen der Kohärenzzeiten, was die Stabilität von Quantenprozessoren beeinträchtigt.

Bisherige Methoden zur Identifizierung einzelner TLS erfordern meist, dass das Qubit oder das TLS durch externe Parameter (wie magnetischen Fluss bei abstimmbaren Qubits oder AC-Stark-Verschiebungen) in Resonanz gebracht wird. Dies ist jedoch bei festfrequenten Transmons (Fixed-frequency Transmons), die aufgrund ihrer geringeren Anfälligkeit für Rauschen in skalierbaren Architekturen bevorzugt werden, technisch schwierig oder unpraktisch. Es fehlt eine Methode, die TLS detektieren kann, ohne die Qubit-Frequenz aktiv zu verändern.

Methodik

Die Autoren präsentieren eine neuartige Spektroskopie-Methode, die auf der Multilevel-Relaxation basiert. Anstatt nur den Übergang zwischen den Zuständen $|0\rangle$ und $|1\rangle$ zu betrachten, nutzt das Protokoll die ersten drei Energieniveaus des Transmons ($|0\rangle, |1\rangle, |2\rangle$).

1. Präparation: Das System wird durch eine Sequenz von $\pi$-Pulsen gezielt in den zweiten angeregten Zustand $|2\rangle$ versetzt.
2. Simultane Messung: Nach einer variablen Wartezeit $\Delta t$ wird die Population der Zustände $|0\rangle, |1\rangle$ und $|2\rangle$ gemessen. Durch die simultane Extraktion der Relaxationsraten $\Gamma_{21}$ (Übergang $|2\rangle \to |1\rangle$) und $\Gamma_{10}$ (Übergang $|1\rangle \to |0\rangle$) lassen sich die Lebensdauern $T_{1f}$ und $T_{1e}$ bestimmen.
3. Korrelationsanalyse: Die Methode nutzt die Tatsache aus, dass ein TLS, dessen Frequenz zwischen den Übergangsfrequenzen $\omega_{01}$ und $\omega_{12}$ liegt, eine Anti-Korrelation zwischen den Relaxationsraten erzeugt: Wenn die TLS-Frequenz auf $\omega_{01}$ zuwandert, steigt die Verlustrate für den unteren Übergang, während sie für den oberen Übergang sinkt.

Wichtigste Beiträge und Ergebnisse

• Nachweis der Anti-Korrelation: Bei einem Testgerät (Device A) beobachteten die Autoren über 60 Stunden eine starke Anti-Korrelation zwischen $T_{1e}$ und $T_{1f}$. Dies lieferte einen eindeutigen „Fingerabdruck“ eines dominanten TLS.
• Rekonstruktion der TLS-Dynamik: Durch Anpassung eines Single-TLS-Modells konnten die Autoren die Frequenzdrift des Defekts über die Zeit rekonstruieren. Sie zeigten, dass die TLS-Frequenz um etwa 10 MHz schwankt.
• Detektion weit entfernter Defekte: Ein entscheidendes Ergebnis ist, dass TLS, die mehr als 100 MHz von der Qubit-Frequenz entfernt sind, die Relaxation immer noch signifikant beeinflussen können (über die Ausläufer der Lorentzkurve der spektralen Leistungsdichte).
• Identifizierung multipler Defekte: Bei einem zweiten Gerät (Device B) zeigten die Daten eine schwache Korrelation und eine Inversion der Lebensdauern ($T_{1e} < T_{1f}$), was durch ein Modell mit zwei verschiedenen TLS erklärt werden konnte.

Bedeutung der Arbeit

Die Arbeit ist von hoher praktischer Relevanz für die Skalierung von Quantencomputern:

1. Diagnose ohne Hardware-Komplexität: Die Methode ermöglicht eine präzise TLS-Spektroskopie bei festfrequenten Transmons, ohne dass komplexe Fluss-Kontrollleitungen oder starke AC-Stark-Verschiebungen erforderlich sind.
2. Materialoptimierung: Durch das Verständnis der räumlichen und frequenzspezifischen Verteilung von TLS können Ingenieure gezielter Materialien und Grenzflächen optimieren, um die Kohärenz zu erhöhen.
3. Präzision: Die Methode bietet ein mächtiges Werkzeug zur Überwachung der Langzeitstabilität von Qubits, was für die Kalibrierung großer Quantenprozessoren unerlässlich ist.