Superconducting circuits host two-level systems with lifetimes exceeding one second

Auf der Suche nach Maschinen, die Probleme lösen können, die jenseits der Reichweite heutiger Computer liegen, wenden sich Wissenschaftler einer seltsamen und empfindlichen Form von Materie zu: supraleitenden Schaltkreisen. Dabei handelt es sich um Metallschleifen, die, wenn sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, Strom ohne jeglichen Widerstand fließen lassen. Innerhalb dieser Schaltkreise erschaffen Forscher künstliche Atome, sogenannte Qubits, die als grundlegende Informationseinheiten für Quantencomputer dienen. Im Gegensatz zu den Bits in einem Standardcomputer, die entweder Null oder Eins sind, kann ein Qubit gleichzeitig in einer Kombination beider Zustände existieren. Diese Qubits sind jedoch unglaublich zerbrechlich. Sie werden ständig von ihrer Umgebung bombardiert, und selbst die kleinste Wechselwirkung kann dazu führen, dass sie ihre Information verlieren – ein Prozess, der als Dekohärenz bekannt ist. Jahrelang hat die wissenschaftliche Gemeinschaft unermüdlich daran gearbeitet, diese Qubits vor ihrer Umgebung abzuschirmen, in der Hoffnung, die Zeit zu verlängern, in der sie ihren Quantenzustand aufrechterhalten können. Die vorherrschende Annahme war, dass das Hintergrundrauschen ihrer Umgebung schließlich leise genug werden würde, um ignoriert zu werden, sobald die Qubits stabiler werden.

Ein Team von Forschern am Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland hat diese Annahme nun infrage gestellt, indem es entdeckte, dass die Umgebung eines supraleitenden Schaltkreises weita viel beständiger ist, als man erwartet hatte. Unter Verwendung eines speziellen Typs von supraleitendem Schaltkreis, bekannt als Transmon, der aus Tantalmetall besteht und auf extreme Temperaturen abgekühlt wurde, suchten die Wissenschaftler nach verborgenen Rauschquellen, die ihre Qubits stören könnten. Sie suchten nach „Zustands-Zwei-Systemen“ (Two-Level Systems), bei denen es sich um winzige Defekte im Material handelt, die wie Miniatur-Schalter fungieren können, indem sie zwischen zwei Zuständen hin- und herschalten und dem Qubit Energie entziehen. Obwohl diese Defekte seit einiger Zeit bekannt sind, fanden die Forscher etwas Außergewöhnliches: eine spezifische Klasse dieser Defekte, die Energie länger als eine Sekunde speichern kann. Dies ist eine staunenswerte Zeitspanne in der Quantenwelt, in der Qubits typischerweise ihren Zustand in einem Bruchteil einer Millisekunde verlieren.

Um diese schwer fassbaren Defekte zu finden, wandten die Forscher eine Technik namens Quantensprung-Korrelationsspektroskopie an. Stellen Sie sich vor, Sie hören eine einzelne Note, die auf einer Violine in einem ruhigen Raum gespielt wird. Wenn die Note plötzlich verstummt, fragen Sie sich vielleicht, wohin der Klang verschwunden ist. In diesem Experiment ist das Qubit die Violine, und die Forscher beobachten den Moment, in dem es aufhört zu schwingen oder in einen niedrigeren Energiezustand „springt“. Normalerweise verschwindet die Energie, wenn ein Qubit Energie verliert, für immer in der Umgebung. Die Forscher beobachteten jedoch, dass nach dem Verlust eines Photons an Energie dieser Energie manchmal nach einer kurzen Verzögerung zum Qubit zurückkehrte. Diese Rückkehr der Energie deutete darauf hin, dass die Umgebung die Energie nicht einfach absorbiert, sondern sie vorübergehend in einem langlebigen Zustand gespeichert hatte, bevor sie sie wieder abgab. Durch die sorgfältige Verfolgung dieser Ereignisse konnten die Forscher drei spezifische Defekte isolieren, die Energie über Zeiträume von hunderten Millisekunden bis hin zu über einer Sekunde festhielten.

Die Forscher entwickelten daraufhin eine neue Methode, um exakt zu messen, wie lange diese Defekte ihre Energie halten konnten. Sie verwendeten eine „Pump-Probe“-Strategie, die darin bestand, den Defekt zuerst anzuregen, um ihn mit Energie zu füllen, und dann abzuwarten, wie lange es dauerte, bis diese Energie nach außen drang. Durch die Anpassung der Frequenz des Qubits an eine leicht andere Frequenz als die des Defekts konnten sie kontrollieren, wie stark die beiden miteinander interagierten. Bei schwacher Wechselwirkung stellten sie fest, dass die Defekte ihre Energie über bemerkenswert lange Zeiträume hielten. Tatsächlich blieb die Energie bei zwei der untersuchten Defekte für mehr als eine Sekunde gespeichert. Dies ist um Größenordnungen länger als die Lebensdauer des Qubits selbst, die typischerweise nur etwa ein hundert Mikrosekunden beträgt. Die Tatsache, dass diese Defekte Energie so lange speichern können, deutet darauf hin, dass sie außergewöhnlich isoliert von der restlichen Welt sind, was sie mit Standard-Messwerkzeugen extrem schwer detektierbar macht.

Die Studie lieferte auch Hinweise darauf, worum es sich bei diesen Defekten tatsächlich handeln könnte. Die Forscher verglichen ihre Messungen mit einem Standardmodell, das beschreibt, wie Atome oder Moleküle zwischen zwei Positionen in einem Festkörper wandern. Dieses Modell legt nahe, dass Defekte, die sich sehr langsam bewegen und sehr schwach mit ihrer Umgebung interagieren, sehr lange Lebensdauern haben sollten. Die Daten aus dem Experiment stimmten perfekt mit dieser Vorhersage überein, was darauf hindeutet, dass es sich bei diesen langlebigen Defekten wahrscheinlich um winzige strukturelle Unvollkommenheiten im Material handelt, die sehr langsam zwischen zwei Positionen tunneln oder wandern. Während die Forscher noch nicht genau sagen können, welche chemische oder physikalische Struktur diese Defekte besitzen, deutet die Evidenz weg von anderen Möglichkeiten, wie etwa magnetischen Verunreinigungen oder eingefangenen Teilchen, die sich anders verhalten würden. Die schwache Wechselwirkung zwischen dem Qubit und diesen Defekten, gemessen im Bereich von einigen tausend Zyklen pro Sekunde, ist konsistent mit der Idee, dass es sich um Positionsdefekte handelt, die durch dieses Standardmodell beschrieben werden.

Diese Entdeckung verändert die Sichtweise der Wissenschaftler auf die Umgebung von Quantencomputern. Zuvor wurde angenommen, dass, sobald Qubits besser werden, das verbleibende Rauschen kurzlebig und leicht zu handhaben sein würde. Nun scheint es, dass das beständigste Rauschen von diesen langlebigen Defekten stammt, die Energie für Sekunden speichern können. Dies hat wichtige Auswirkungen auf die Zukunft der Quantenfehlerkorrektur, also der Methode, mit der Fehler in Quantenberechnungen behoben werden. Wenn die Umgebung sich den Zustand des Qubits über eine lange Zeit merkt, kann dies komplexe Fehlermuster erzeugen, die schwieriger vorherzusagen und zu korrigieren sind. Die Forscher sehen jedoch auch eine potenzielle Kehrseite. Da diese Defekte Quanteninformationen so lange halten können, könnten sie eines Tages als eine Form von Speicher innerhalb eines Quantenschaltkreises genutzt werden. Die Forscher legen nahe, dass Wissenschaftler, während sie die Qualität ihrer Qubits weiter verbessern, wahrscheinlich auf noch mehr dieser langlebigen Defekte stoßen werden, vergleichbar mit einem Teleskop, dessen bessere Linsen immer schwächere Sterne am Nachthimmel enthüllen.

Die in dieser Arbeit vorgestellte Untersuchung etabliert einen neuen Rahmen für das Verständnis der mikroskopischen Welt innerhalb supraleitender Schaltkreise. Sie beweist, dass diese Schaltkreise als empfindliche Sonden dienen können, um mikroskopische Freiheitsgrade zu detektieren, die über Sekunden andauern – eine Zeitskala, die in diesem Zusammenhang zuvor als unmöglich galt. Während die genaue Natur dieser Defekte noch Gegenstand weiterer Untersuchungen ist, stellt die Fähigkeit, ihre Lebensdauern und Kopplungsstärken zu messen, einen entscheidenden Schritt zu deren Kontrolle dar. Ob diese langlebigen Systeme als ein Ärgernis betrachtet werden, das eliminiert werden muss, oder als eine Ressource, die genutzt werden kann – ihre Existenz verändert die Landschaft der Quantentechnologie grundlegend. Die Forscher haben die Tür zu einer verborgenen Schicht der Quantenumgebung geöffnet, die still, beständig und voller Potenzial für sowohl Herausforderungen als als auch Entdeckungen ist.