Adaptive Spectroscopy of Fast Two-Level-System Dynamics in Superconducting Qubits

Stell dir vor, du versuchst, einer einzigen, perfekten Note zu lauschen, die auf einer Violine in einem Konzertsaal gespielt wird. Nun stell dir vor, der Saal sei erfüllt von tausenden winzigen, unsichtbaren Geistern. Diese Geister sind nicht gruselig; sie sind nur sehr unruhig. Alle paar Sekunden springt einer von ihnen auf die Geigensaite, verändert die Tonhöhe der Note nur ein winziges Stück oder lässt den Klang schneller verhallen, als er sollte. In der Welt des Quantencomputings sind diese „Geister“ real. Sie werden Zwei-Niveau-Systeme (TLS) genannt, und sie sind winzige Defekte, die in den Materialien verborgen sind, aus denen Quantencomputer bestehen.

Quantencomputer sind der nächste große technologische Sprung und versprechen, Probleme zu lösen, die für heutige Supercomputer unmöglich sind. Sie nutzen „Qubits“ (Quantenbits), um ihre Berechnungen durchzuführen. Aber Qubits sind unglaublich zerbrechlich. Wenn ein Qubit seine Energie verliert oder durch Rauschen verwirrt wird, schlägt die Berechnung fehl. Seit Jahren wissen Wissenschaftler, dass diese TLS-Defekte der Hauptgrund dafür sind, dass Qubits ihre Energie verlieren und Fehler machen. Das Problem ist, dass diese Defekte hinterhältig sind. Sie bewegen sich, ändern ihre Frequenz und schalten sich an und aus. Bis jetzt waren die Werkzeuge, mit denen man sie untersuchte, wie der Versuch, ein Foto eines Kolibris mit einer Kamera zu machen, die nur ein Bild pro Stunde aufnimmt. Bis das Bild entwickelt war, war der Vogel schon weitergeflogen, hatte seine Farbe geändert und war weg. Wir wussten, dass die Geister da waren, aber wir konnten sie nicht bei der Tat ertappen.

Hier kommt ein Team von Forschern mit einem cleveren Trick ins Spiel. Sie haben eine „Supergeschwindigkeitskamera“ für diese Quantengeister gebaut. Anstatt darauf zu warten, stundenlang zu sehen, was ein Defekt macht, nutzen sie ein intelligentes, adaptives System, das seine Vermutungen tausende Male pro Sekunde aktualisiert. Mit dieser neuen Methode entdeckten sie, dass diese Defekte viel aktiver sind, als wir dachten. Sie fanden heraus, dass einige Defekte ihr Verhalten in nur wenigen Sekunden ändern und andere wie ein Betrunkener auf dem Heimweg umherwandern – viel schneller, als man es je gesehen hat.

Hier ist die Geschichte ihrer Entdeckung, erzählt in der Sprache eines neugierigen Teenagers.

Die Geister in der Maschine

Stell dir einen supraleitenden Qubit wie einen sehr sensiblen Radiosender vor. Er sendet auf einer bestimmten Frequenz, zum Beispiel 5,1 Gigahertz. Um seine Aufgabe zu erfüllen, muss er genau auf dieser Frequenz bleiben. Aber im Inneren des Radios lauern winzige, unsichtbare „Defekte“ (die TLSs). Manchmal beschließt ein Defekt, sich auf dieselbe Frequenz wie der Radio einzustimmen. Wenn das passiert, wird der Radio abgelenkt. Er verliert seine Energie an den Defekt, und das Signal verblasst. Das nennt man „Relaxation“, und es ist der Feind des Quantencomputings.

Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass diese Defekte hauptsächlich stationär seien. Sie glaubten, wenn man einen Defekt beobachten würde, bliebe er stundenlang an seinem Platz oder würde langsam wie eine Wolke am Himmel driften. Wenn man die Defekte kartieren wollte, musste man stundenlang die Radiofrequenzen scannen. Es war, als würde man eine Stadt kartieren, indem man sie nur einmal am Tag durchläuft; man würde alle Staus und die rennenden Menschen einfach verpassen.

Der Durchbruch durch die „intelligente Kamera“

Die Forscher in dieser Arbeit, die mit Geräten von MIT und der University of Wisconsin zusammenarbeiteten, beschlossen, einen besseren Weg zu finden, um die Geister zu beobachten. Sie verwendeten eine spezielle Art von Qubit, die seine Frequenz im Handumdrehen ändern kann, wie ein Radio, das sich sofort auf jeden Sender einstellen kann. Sie nutzten auch einen superschnellen Computerchip namens FPGA (Field-Programmable Gate Array), der als das Gehirn der Operation fungiert.

Anstatt nur lange auf einen Punkt zu starren, ist ihr System „adaptiv“. Stell dir vor, du spielst das Spiel „Heiß oder Kalt“, um ein verstecktes Objekt zu finden. Ein normaler Spieler würde vielleicht einen Punkt prüfen, eine Minute warten und dann den nächsten prüfen. Dieses neue System ist wie ein Genie-Spieler, der nach jedem einzelnen Tipp sofort berechnet, wo das Objekt als Nächstes am wahrscheinlichsten zu finden ist, und sofort dorthin springt.

Sie nutzten diese Methode, um den Frequenzbereich des Qubits zu scannen. Jedes Mal, wenn sie eine Frequenz prüften, maß das System, wie schnell das Qubit seine Energie verlor. Wenn der Energieverlust sprunghaft anstieg, bedeutete das, dass ein Defekt vorhanden war. Weil das System so schnell war, konnte es eine „Momentaufnahme“ des gesamten Frequenzbereichs in weniger als einer Sekunde machen. Durch ständiges Wiederholen erstellten sie so einen Film der Defekte in Aktion.

Die Überraschung: Die Geister sind hyperaktiv

Als sie den Film betrachteten, waren die Ergebnisse schockierend. Sie fanden zwei Hauptarten von „geisterhaftem“ Verhalten, die viel schneller abliefen als erwartet.

1. Der Telegraph-Schalter:
Einige Defekte verhielten sich wie ein Lichtschalter, der von einer nervösen Hand ständig an- und ausgeschaltet wird. Der Defekt verharrte auf einer Frequenz, was das Qubit Energie kosten ließ, und plötzlich – poof! – sprang er zu einer anderen Frequenz. Die Forscher maßen, dass diese Sprünge mit einer charakteristischen Zeit von etwa 2,2 Sekunden stattfanden.

Das ist wie ein Leuchtturmstrahl, der plötzlich in eine andere Richtung schnellt. In der Vergangenheit dachten Wissenschaftler, dass diese Wechsel über Stunden hinweg passieren. Die Erkenntnis, dass sie in Sekunden passieren, bedeutet, dass die Umgebung des Quantencomputers viel chaotischer ist, als wir dachten. Es ist, als würde man feststellen, dass das Zimmer, in dem man sitzt, eigentlich voller Menschen ist, die ständig von einem Stuhl zum anderen springen, anstatt einfach stillzusitzen.

2. Der Betrunkene Gang (Spektrale Diffusion):
Andere Defekte sprangen nicht nur, sie wanderten. Sie drifteten langsam durch das Frequenzspektrum, wie ein Betrunkener, der stolpernd die Straße entlanggeht. Die Forscher maßen, wie schnell sie drifteten, und fanden eine „Diffusivität“ (ein Maß dafür, wie schnell sie umherwandern) von etwa 0,9 MHz² s⁻¹.

Und hier kommt der Clou: Diese Driftrate war etwa 300 Mal schneller als in früheren Experimenten, die Stunden zur Durchführung brauchten. Es stellte sich heraus, dass die langsamen, stundenlangen Messungen das Bild tatsächlich „verschmiert“ hatten. Indem sie alles über eine lange Zeit im Durchschnitt berechneten, hatten die Wissenschaftler übersehen, dass die Defekte sich in Wirklichkeit rasant bewegten. Es ist, als würde man ein schnelles Auto durch eine beschlagene Fensterscheibe beobachten; wenn man nur lange genug hinsieht, wirkt das Auto nur wie ein verschwommener Fleck. Aber wenn man eine schnelle Kamera hat, sieht man es rasen.

Warum das für deinen zukünftigen Computer wichtig ist

Du fragst dich vielleicht: „Und was? Es ist nur ein paar Sekunden schneller.“ Aber in der Welt des Quantencomputings ist das Timing alles.

Die Forscher überprüften auch, ob diese schnell beweglichen Geister tatsächlich Fehler in der Logik des Computers verursachten. Sie führten einen Test namens „Randomized Benchmarking“ durch, was wie ein Stresstest für das Gehirn des Computers ist. Sie fanden eine starke Verbindung: Wenn ein Defekt aktiv war und das Qubit dazu brachte, schnell Energie zu verlieren, machte der Computer mehr Fehler bei seinen Berechnungen. Die Korrelation war stark, mit einem Wert von 0,618, was bedeutet, dass die Geister die Arbeit definitiv durcheinanderbrachten.

Dies ändert die Art und Weise, wie wir Quantencomputer bauen und reparieren. Lange Zeit bestand der Plan, diese Computer alle paar Stunden zu kalibrieren (einzustellen). Aber wenn die Defekte alle paar Sekunden umspringen, ist die Kalibrierung alle paar Stunden so, als würde man versuchen, einen Automotor zu reparieren, während das Auto mit 100 km/h fährt. Man wird das Problem verpassen.

Das Paper legt nahe, dass wir eine neue Denkweise brauchen. Anstatt den Computer einmal am Tag zu überprüfen, müssen wir ihn vielleicht ständig, also in Echtzeit, kontrollieren. Die Forscher zeigten, dass ihre schnelle „intelligente Kamera“ genutzt werden kann, um diese Probleme aufzutreten zu sehen. Wenn das System sieht, dass ein Defekt zu viel Ärger macht, könnte es die Berechnung pausieren oder die Frequenz anpassen, um dem Geist komplett auszuweichen.

Das Fazit

Dieses Paper hat nicht nur eine neue Art von Defekt gefunden; es hat herausgefunden, dass die Defekte, die wir bereits kennen, viel energiereicher und unberechenbarer sind, als wir es uns jemals vorgestellt haben. Sie sind keine stationären Geister; sie sind hyperaktive Tänzer.

Die Forscher bewiesen, dass wir durch den Einsatz schneller, adaptiver Messungen diese Tänze in Echtzeit sehen können. Sie widerlegten die Idee, dass diese schnellen Bewegungen nur ein Zufall oder ein Fehler der Ausrüstung sind; sie sahen dasselbe Verhalten in zwei verschiedenen Geräten, die in zwei verschiedenen Laboren gebaut wurden. Sie haben das Problem der Defekte noch nicht gelöst – wir wissen immer noch nicht genau, woraus diese Defekte bestehen oder wie man sie vollständig loswird. Aber sie haben uns die erste klare, hochgeschwindigkeits-Karte davon gegeben, wo sie sind und wie sie sich bewegen.

Es ist ein bisschen so, als würde man entdecken, dass das „Rauschen“ in einem alten Fernseher nicht nur zufälliges Rauschen ist, sondern eine ganze Menge winziger, schnell beweglicher Kreaturen. Jetzt, da wir wissen, dass sie da sind und wissen, wie schnell sie sich bewegen, können wir endlich anfangen, bessere Schilde zu bauen, um sie daran zu hindern, unsere Sendung zu ruinieren. Für die Zukunft des Quantencomputings ist dies ein riesiger Schritt nach vorn: Wir können die Geister nicht länger ignorieren, aber jetzt haben wir endlich die Werkzeuge, um sie zu fangen.