Qubit error bursts in superconducting quantum processors of Quantum Inspire: quasiparticle pumping and anomalous time dependence

Die Studie analysiert Qubit-Fehlerausbrüche in 5- und 7-Qubit-Prozessoren von Quantum Inspire und identifiziert dabei gerätespezifische Merkmale wie Quasiteilchen-Pumpen und eine anomale zeitliche Abhängigkeit der Fehlerhäufigkeit, die auf Dolan-Junctions zurückzuführen sind.

Das Wesentliche

Das große Problem: Der "Quanten-Haustier-Stress"

Stellen Sie sich einen Quantencomputer wie ein riesiges, hochsensibles Orchester vor. Jeder Musiker (ein sogenanntes Qubit) muss absolut perfekt spielen, um die komplexe Musik (die Berechnung) zu erzeugen.

Das Problem ist: Das Orchester befindet sich in einem extrem kalten Raum (nahe dem absoluten Nullpunkt), aber es ist nicht völlig sicher vor Störungen. Von außen kommen ständig unsichtbare "Kugeln" – das sind kosmische Strahlung und Radioaktivität aus der Erde. Wenn eine dieser Kugeln auf den Computer trifft, ist es, als würde ein riesiger Stein in ein ruhiges Teich geworfen.

Was passiert dann?
Der Stein erzeugt Wellen (Schallwellen im Material), die sich durch den ganzen Computer ausbreiten. Diese Wellen reißen die Musiker aus ihrer Konzentration. In der Physik nennen wir diese gestörten Zustände "Quasiteilchen". Wenn zu viele davon da sind, hören die Musiker auf zu spielen oder spielen falsche Töne. Das nennt man einen Fehlerausbruch (Error Burst).

Normalerweise beruhigt sich das Orchester nach einer Weile wieder. Aber wie lange das dauert, und wie oft das passiert, ist das Geheimnis, das die Forscher in Delft entschlüsselt haben.

Die zwei Orchester: S-5 und S-7

Die Forscher haben zwei fast identische Quantencomputer gebaut, die sie S-5 und S-7 nannten. Sie sahen gleich aus, waren gleich gebaut und wurden in den gleichen Kühlschränken getestet. Der einzige Unterschied war die Art, wie die "Schalter" (die Josephson-Kontakte) hergestellt wurden:

• S-5 hatte Schalter im "Dolan-Stil".
• S-7 hatte Schalter im "Manhattan-Stil".

Man könnte sagen: Beide Orchester hatten die gleichen Instrumente, aber S-5 hatte einen etwas anderen Dirigenten-Stab als S-7.

Die zwei überraschenden Entdeckungen

Hier kommt es zu den zwei verrückten Dingen, die nur bei S-5 passiert sind:

1. Der "Quasiteilchen-Pumpen"-Effekt (Das aktive Aufräumen)

Stellen Sie sich vor, nach dem Steinwurf im Teich schwimmen überall kleine Fischschwärme (die Quasiteilchen) herum, die den Musikern im Weg sind.

• Bei S-7 (Manhattan): Die Fischer müssen warten, bis die Fische von selbst verschwinden. Das dauert lange.
• Bei S-5 (Dolan): Hier haben die Forscher etwas Geniales entdeckt. Durch das Design des Schalters gibt es eine kleine "Falle" (eine Art Aquarium), in die die Fische schwimmen können, wenn sie richtig angestupst werden.

Die Forscher haben festgestellt: Wenn sie die Musiker (die Qubits) schneller hin und her tanzen lassen (durch schnelle Signale, sogenannte $\pi$-Pulse), werden die störenden Fische aktiv in die Falle gepumpt.

• Die Analogie: Es ist, als würde man im Orchester schnell klatschen, um die Flöhe, die auf den Musikern sitzen, in eine Schublade zu erschrecken, wo sie gefangen bleiben.
• Das Ergebnis: Bei S-5 wurde die Erholungszeit nach einem Fehlerausbruch viel kürzer, je schneller sie klatschten. Bei S-7 passierte das gar nicht, weil dort keine Falle eingebaut war.

2. Der mysteriöse "Stress-Anfall" (Der Anstieg und das Verschwinden)

Das zweite Phänomen ist noch rätselhafter und passierte nur bei S-5.
Stellen Sie sich vor, das Orchester spielt seit Wochen ruhig. Plötzlich, nach ein paar Wochen im kalten Raum, passiert etwas Verrücktes:

1. Der Anstieg: Über Nacht explodiert die Anzahl der Fehler. Es ist, als würde das Orchester plötzlich in Panik geraten und alle gleichzeitig falsch spielen.
2. Das Verschwinden: Nach ein paar Stunden beruhigt es sich wieder. Aber das Schlimmste kommt danach: Die Fehlerzahl fällt nicht nur auf das normale Niveau zurück, sondern sie wird extrem niedrig – viel niedriger als am Anfang! Es ist, als würde das Orchester plötzlich so perfekt spielen, wie es noch nie gespielt hat.
3. Der Reset: Wenn man das Orchester einmal kurz aufwärmt und wieder abkühlt (ein "thermischer Zyklus"), beginnt der ganze Zyklus von vorne.

Warum passiert das?
Die Forscher haben keine Ahnung! Es ist wie ein magischer Effekt. Vielleicht hat sich das Material im Inneren des Chips über Wochen langsam "gesetzt" oder verändert, bis es plötzlich einen Ruck machte und dann in einen perfekten Zustand fiel. Es ist ein Rätsel, das die wissenschaftliche Welt herausfordert.

Warum ist das wichtig?

Quantencomputer brauchen Fehlerkorrektur, um wirklich mächtig zu sein. Wenn Fehler in großen Wellen kommen (Bursts), ist das Korrektur-System überfordert.

• Die gute Nachricht: Wir haben jetzt verstanden, dass man durch das Design der Schalter (wie bei S-5) Fehler aktiv "wegpumpen" kann. Das ist wie ein selbstreinigender Filter.
• Die große Frage: Wenn wir herausfinden, was diesen "Stress-Anfall" und das anschließende perfekte Spielen auslöst, könnten wir Quantencomputer so bauen, dass sie sich selbst in einen Zustand extrem geringer Fehler versetzen – quasi einen "Super-Modus" für die Berechnungen.

Fazit

Die Forscher haben gezeigt, dass kleine Unterschiede im Bau von Quantenchips riesige Auswirkungen haben. Sie haben einen Weg gefunden, Fehler aktiv zu beseitigen (durch Pumpen) und ein mysteriöses Verhalten entdeckt, das auf eine Art "Selbstheilung" hindeuten könnte. Es ist ein großer Schritt auf dem Weg zu einem Computer, der nicht nur rechnet, sondern auch weiß, wie er sich selbst repariert.

Technische Zusammenfassung

Problemstellung

In supraleitenden Quantenprozessoren stellen Qubit-Fehlerbursts (plötzliche, korrelierte Fehler in mehreren Qubits gleichzeitig) eine erhebliche Hürde für die Fehlerkorrektur (QEC) und den fehlertoleranten Quantencomputing dar. Diese Fehler werden primär durch ionisierende Strahlung (kosmogene Myonen und lokale Radioaktivität) ausgelöst.

• Mechanismus: Hoch energetische Strahlung erzeugt Phononen und Elektron-Loch-Paare im Substrat. Phononen breiten sich aus und brechen Cooper-Paare in den supraleitenden Schichten auf, wodurch Quasiteilchen (QPs) entstehen. Diese QPs können durch die Josephson-Kontakte (JJs) der Qubits tunneln und Energie aufnehmen, was zu Relaxationsfehlern führt.
• Herausforderung: Die Wiederherstellungszeit ($t_{rec}$) nach einem Burst und die Burst-Rate variieren stark zwischen verschiedenen Geräten. Bisherige Strategien zur Minderung (z. B. Untergrund-Labore, Phononenfallen) wurden oft nur an der durchschnittlichen QP-Dichte gemessen, nicht jedoch an der Dynamik der Fehlerbursts selbst. Zudem ist das Verhalten der QP-Dichte über längere Zeiträume nach dem Abkühlen (Cooldown) nicht vollständig verstanden.

Methodik

Die Autoren untersuchten zwei Transmon-Prozessoren der Quantum Inspire-Plattform:

1. Starmon-5 (S-5): 5 funktionierende Qubits (von 7), verwendet Dolan-Bridge-JJs.
2. Starmon-7 (S-7): 7 funktionierende Qubits, verwendet Manhattan-Stil-JJs.

Beide Prozessoren teilen sich ein ähnliches Design, Fertigungs- und Verpackungsprotokoll, unterscheiden sich jedoch in der Geometrie der Josephson-Kontakte.

Experimenteller Aufbau:

• Messung: Zwei verschiedene Verdünnungskühlschränke (Refrigerator A und B) wurden genutzt, um gerätespezifische von kühlschrankspezifischen Effekten zu unterscheiden.
• Detektionsschema: Ein wiederholtes Subschaltkreis-Verfahren, bei dem alle Qubits mit $\pi$-Pulsen angeregt, pausiert und ausgelesen werden. Ein Fehler wird definiert als zwei aufeinanderfolgende „0"-Ergebnisse.
• Datenanalyse: Zeitreihen der Fehlerereignisse wurden mittels Template-Matching (gestufte exponentielle Abklingfunktion) gefiltert, um echte Strahlungs-Bursts von Basislinien-Rauschen ($T_1$- und Auslesefehlern) zu unterscheiden.
• Variablen: Es wurden die Zykluszeit ($t_{cycle}$), die Anzahl der $\pi$-Pulse pro Zyklus und die Verwendung von Bleischutzschilden variiert.

Wichtige Beiträge und Ergebnisse

1. Gerätespezifische Wiederherstellungszeiten ($t_{rec}$)

• Die Dauer der Fehlerbursts ist gerätespezifisch, aber unabhängig vom verwendeten Kühlschrank.
• S-5 (Dolan-JJs): $t_{rec} \approx 2$ ms.
• S-7 (Manhattan-JJs): $t_{rec} \approx 250$ $\mu$s.
• Dieser Faktor von 8 Unterschied wird auf geometrische Unterschiede in den JJ-Elektroden zurückgeführt, die die Effizienz von QP-Fallen und Rekombinationsraten beeinflussen.

2. Quasiteilchen-Pumping (QP Pumping) in S-5

Ein unerwartetes Phänomen wurde ausschließlich im S-5-Prozessor beobachtet:

• Beobachtung: Erhöht man die Rate der $\pi$-Pulse im Detektionsschema (durch Verkürzung der Zykluszeit oder Einfügen zusätzlicher Pulse), verkürzt sich die Wiederherstellungszeit $t_{rec}$ signifikant.
• Mechanismus: Dolan-Bridge-JJs (wie in S-5) besitzen durch ihre Fertigung (Doppelwinkel-Abscheidung von Al-Schichten unterschiedlicher Dicke) eine eingebaute QP-Falle.
  • Ein QP im dickeren Al-Bereich kann durch Absorption der Qubit-Energie in den dünneren Bereich tunneln (Qubit relaxiert von $|1\rangle$ zu $|0\rangle$).
  • Der QP diffundiert und wird in der dickeren Schicht auf der anderen Seite der Falle eingefangen.
  • Ein nachfolgender $\pi$-Puls regt das Qubit erneut an, was den Pump-Prozess wiederholt und QPs aktiv aus der Nähe des Josephson-Kontakts in die Falle befördert.
• Bedeutung: Dies demonstriert erstmals, dass aktive Pulssequenzen genutzt werden können, um QPs in spezifischen JJs-Geometrien zu entfernen und so die Fehlererholung zu beschleunigen. In S-7 (Manhattan-JJs) fehlt diese intrinsische Falle, weshalb dieser Effekt dort nicht auftritt.

3. Anomale zeitliche Abhängigkeit der Burst-Rate („Surge")

Ein zweites, unerklärliches Phänomen wurde nur in S-5 beobachtet:

• Verlauf: Nach dem Erreichen der Basistemperatur bleibt die Burst-Rate ($\gamma_{kept}$) über Wochen stabil. Dann tritt plötzlich ein Anstieg (Surge) um den Faktor 10–100 auf, der mehrere Stunden anhält.
• Folge: Nach diesem Peak fällt die Rate monoton über Tage auf einen Wert ab, der um zwei Größenordnungen niedriger ist als unmittelbar nach dem Abkühlen. Dieser niedrige Zustand persistiert, bis ein thermischer Zyklus (Aufheizen auf 4 K oder Raumtemperatur) durchgeführt wird.
• Korrelation: Während des Surges sinkt die mittlere $T_1$-Zeit drastisch.
• Einflussfaktoren:
  • Der Surge trat in Kühlschrank A bei allen 4 gemessenen Abkühlungen auf, in Kühlschrank B bei 12 von 20.
  • Interessanterweise trat der Surge nicht mehr auf, nachdem GE-Varnish (ein Klebstoff) auf die Rückseite von S-5 aufgetragen wurde (was S-7 bereits hatte). Dies deutet auf einen Zusammenhang mit der thermischen Kopplung oder mechanischen Spannung hin, ist aber noch nicht kausal bewiesen.
• Offene Frage: Der physikalische Mechanismus hinter diesem Surge und der anschließenden extremen Unterdrückung der Fehler ist unbekannt. Es wird spekuliert, dass es sich um einen on-chip Mechanismus handelt, der nichts mit der externen Strahlungsrate zu tun hat.

Signifikanz und Ausblick

• Fehlerkorrektur: Das Verständnis und die Kontrolle von Burst-Dynamiken sind kritisch für die Realisierung von Quantenfehlerkorrektur, da korrelierte Fehler die Leistungsfähigkeit von QEC-Codes stark beeinträchtigen.
• Design-Optimierung: Die Ergebnisse zeigen, dass die Wahl der JJ-Geometrie (Dolan vs. Manhattan) nicht nur die statischen Eigenschaften, sondern auch die dynamische Reaktion auf Strahlung und Pulssequenzen bestimmt. Die Nutzung von QP-Fallen durch Puls-Pumping bietet einen neuen Weg zur aktiven Fehlerminderung.
• Neue Forschungsrichtung: Die Entdeckung des „Surge"-Phänomens und der anschließenden extremen Fehlerunterdrückung eröffnet neue Möglichkeiten. Wenn dieser Zustand (sehr niedrige Burst-Rate) kontrolliert reproduziert werden kann, könnte dies eine passive Methode zur drastischen Reduktion von Strahlungsfehlern bieten, ohne tiefere Untergrund-Labore zu benötigen.
• Zusammenfassung: Die Arbeit liefert tiefe Einblicke in die Mikrophysik von Qubit-Fehlern, identifiziert einen neuen Mechanismus zur aktiven QP-Entfernung und deckt ein bisher unbekanntes, anomales Zeitverhalten auf, das weitere Forschung erfordert.