First Measurement of Correlated Charge Noise in Superconducting Qubits at an Underground Facility

Lo esencial

La visión general: Escuchar la "estática" de una computadora cuántica

Imagina que tienes un instrumento musical muy delicado y de alta tecnología (un qubit superconductor) que debe tocar una nota perfecta y constante. Este instrumento es tan sensible que si una sola mota de polvo cae sobre él, o si una pequeña brisa lo golpea, la nota cambia de tono instantáneamente.

Los científicos quieren construir una "computadora cuántica" usando muchos de estos instrumentos tocando juntos. Pero tienen un problema: el ruido. Específicamente, partículas invisibles del espacio (rayos cósmicos) y radiación de fondo natural (rayos gamma) golpean constantemente el instrumento, haciendo que este dé un "salto" o falle. Estos fallos se llaman saltos de carga (charge jumps).

Este artículo trata sobre un equipo de científicos que llevó su delicado instrumento a lo profundo de la tierra para ver si podían silenciar el ruido lo suficiente como para escuchar la música con claridad.

El experimento: Ir a lo profundo de la tierra

1. La ubicación (El búnker profundo)
Los científicos trasladaron su experimento de un laboratorio en la superficie a una instalación llamada NEXUS, ubicada a 107 metros (unos 35 pisos) bajo tierra, dentro de un túnel de roca en Fermilab.

• La analogía: Piensa en la superficie de la Tierra como una carretera con mucho tráfico donde los coches (rayos cósmicos) pasan zumbando constantemente. La instalación subterránea es como un búnker profundo. La gruesa roca arriba actúa como un enorme escudo, bloqueando más del 99% de los "coches" que intentan entrar.

2. El escudo (La manta de plomo)
Incluso bajo tierra, algo de radiación logra pasar. Para probar esto más a fondo, el equipo construyó una "manta" móvil hecha de plomo grueso alrededor de su experimento.

• La analogía: Imagina que llevas un impermeable pesado forrado de plomo. Cuando el abrigo está puesto (Escudo Cerrado), estás protegido de la lluvia (rayos gamma). Cuando te lo quitas (Escudo Abierto), te mojas. Los científicos querían ver cuánta "lluvia" golpeaba realmente su instrumento en ambos escenarios.

3. La medición (Los saltos de carga)
Los qubits en este experimento están diseñados para ser "electrómetros": son como pequeñas básculas que pueden pesar la carga eléctrica. Cuando una partícula golpea el chip, crea un pequeño estallido de electricidad, haciendo que la "báscula" salte.

• La analogía: Imagina un trampolín. Si alguien salta sobre él, rebota. Si una pequeña mosca aterriza, apenas se mueve. Los científicos estaban observando los "rebotes" (saltos de carga) en su trampolín cuántico. Buscaban específicamente saltos correlacionados: momentos en que dos trampolines diferentes saltaron exactamente al mismo tiempo. Esto es malo para las computadoras cuánticas porque significa que un solo rayo cósmico golpeó ambos, causando un error doble.

Lo que encontraron

1. La "lluvia" se volvió más ligera, pero no tanto como se esperaba
Cuando cerraron el escudo de plomo, el número de saltos de carga disminuyó.

• El resultado: Los saltos disminuyeron por un factor de aproximadamente 2.7.
• La sorpresa: Los científicos midieron la radiación que golpeaba el escudo y descubrieron que la "lluvia" (rayos gamma) en realidad había disminuido por un factor de 20.
• La metáfora: Es como ponerte un impermeable que bloquea el 95% de la lluvia, pero solo te sientes un 30% menos mojado. Esto le indicó a los científicos que, aunque el escudo bloqueaba la lluvia externa, todavía había una "fuga" en algún otro lugar. Hay una fuente de ruido excesiva que proviene del interior de la propia máquina (quizás de los materiales dentro de la nevera o cargas atrapadas en el chip) que el escudo de plomo no pudo detener.

2. La zona "silenciosa" (Sin saltos correlacionados)
El hallazgo más emocionante ocurrió cuando observaron qué tan separados estaban los qubits.

• La configuración: Tenían cuatro qubits. Dos estaban muy cerca uno del otro (como vecinos), y dos estaban lejos (como vecinos que viven en lados opuestos de una calle).
• El resultado: Cuando el escudo estaba cerrado, los científicos realizaron el experimento durante 22 horas consecutivas. Durante todo ese tiempo, los dos qubits que estaban lejos (a más de 3 milímetros) nunca saltaron al mismo tiempo.
• La metáfora: Imagina a dos personas paradas a 3 metros de distancia. Si una sola roca gigante cae del cielo, podría golpear a ambas. Pero en este experimento, durante todo un día, ninguna "roca" individual fue lo suficientemente grande como para golpear a los dos qubits distantes a la vez. Lograron una "zona silenciosa" donde los errores no se propagan entre las partes distantes de la computadora.

La conclusión

El artículo afirma tres cosas principales:

1. Estar bajo tierra ayuda: Mover el experimento bajo tierra redujo significamente los errores causados por los rayos cósmicos.
2. Hay un misterio: Incluso bajo tierra con un escudo de plomo, todavía hay más ruido de lo esperado. No es solo de afuera; algo dentro del equipo sigue causando "estática".
3. La distancia importa: Por primera vez, demostraron que si separas tus bits cuánticos lo suficiente (más de 3 mm) y los proteges bien, puedes detener los "errores correlacionados" (donde un error causa una reacción en cadena de errores) durante periodos prolongados de tiempo.

Lo que NO afirmaron:
El artículo no dice que hayan construido una computadora cuántica funcional que pueda resolver problemas todavía. No afirma que esto arregle todos los errores para siempre. Se limita estrictamente a informar sobre la medición de la "estática" y demostrar que, bajo tierra y con blindaje, la "estática" se puede reducir a un nivel en el que los qubits distantes no interfieran entre sí.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Primera Medición de Ruido de Carga Correlacionado en Qubits Superconductores en una Instalación Subterránea

Planteamiento del Problema
La radiación ionizante es reconocida cada vez más como una fuente significativa de decoherencia y errores correlacionados en los qubits superconductores. Estudios previos han establecido una correlación entre el flujo de radiación ionizante (específicamente rayos cósmicos y gammas ambientales) y las tasas de relajación de energía de los qubits ($1/T_1$), así como en errores simultáneos multiqubit. Estos errores correlacionados suponen un desafío para la eficacia de los códigos de superficie de corrección de errores cuánticos. Mientras que los laboratorios a nivel de la superficie están sujetos a altos flujos de muones de rayos cósmicos y radiación gamma ambiental, la contribución específica de estas fuentes al ruido de carga en el sustrato del qubit, y la capacidad de mitigarlos, requiere el aislamiento de los fondos de nivel de superficie. Además, los mecanismos mediante los cuales los eventos ionizantes inducen saltos de carga en el sustrato (mediante la producción de pares electrón-hueco, la difusión de fonones y el atrapamiento de carga) operan en escalas de tiempo que van desde los nanosegundos hasta los días, lo que requiere un monitoreo de larga duración para caracterizar completamente el entorno de ruido.

Metodología
Los autores realizaron mediciones en un dispositivo transmon de cuatro qubits débilmente sensible a la carga (con $E_J/E_C = 24$), el cual fue trasladado desde un laboratorio de superficie en Madison, WI, al sitio subterráneo NEXUS (Northwestern EXperimental Underground Site) en Fermilab, ubicado a 107 metros de profundidad. Esta profundidad proporciona una sobrecarga de roca equivalente a 225 metros de agua, reduciendo el flujo de muones de rayos cósmicos en más de un 99% en comparación con el nivel del mar.

La configuración experimental incluyó:

• Blindaje: Un blindaje de plomo modular que proporciona cobertura $4\pi$ alrededor de la carga útil criogénica para atenuar la radiación gamma ambiental.
• Criogenia: El dispositivo operó en un refrigerador de dilución a una temperatura base de 10.5 mK dentro de un entorno de sala limpia para minimizar la contaminación por partículas.
• Monitoreo de Radiación: Se colocó un cristal de $Li_2MoO_4$ (LMO) instrumentado con un Sensor de Borde de Transición (TES) a 18.7 cm del chip del qubit dentro del mismo criostato para medir de forma independiente el flujo y el espectro de gamma.
• Protocolo de Medición: El equipo empleó secuencias de tomografía de Ramsey ($X/2 - \text{Idle} - X/2$) para mapear el desplazamiento de carga ($n_g$) en las islas de los qubits hacia la probabilidad del estado excitado ($P_1$). Al escanear el sesgo de carga y analizar la evolución de fase, los investigadores detectaron saltos discontinuos en la carga inducida.
• Análisis de Datos: Se utilizó un algoritmo de minimización $\chi^2$ de ventana móvil para ajustar los escaneos de tomografía contra una plantilla derivada de escaneos sin saltos. Este método identificó saltos de carga con magnitudes de $0.1e \le |\Delta q| \le 0.5e$. La eficiencia de este método de detección fue validada mediante simulación con un valor superior al 70%.

Se recolectaron dos conjuntos de datos principales:

1. Escudo Abierto (SO - Shield Open): Condiciones de flujo gamma ambiental.
2. Escudo Cerrado (SC - Shield Closed): Condiciones de flujo gamma mínimo (blindaje de plomo cerrado).

Resultados Clave

• Tasas de Salto de Carga: La tasa promedio de salto de carga para los cuatro qubits se midió en $0.51^{+0.05}_{-0.04}$ mHz en la configuración de Escudo Abierto y se redujo a $0.19^{+0.04}_{-0.03}$ mHz en la configuración de Escudo Cerrado.
• Correlación con el Flujo Gamma: El detector LMO midió un factor de reducción del flujo gamma de $20 \pm 1$ (para energías $>150$ keV) cuando el blindaje estaba cerrado. Sin embargo, la tasa de salto de carga solo disminuyó por un factor de 2.7. Esta discrepancia indica que, en la configuración SC de bajo fondo, la tasa de salto de carga no está dominada por el flujo gamma externo.
• Tasa Excedente: Al restar la tasa SC de la tasa SO (contabilizando un fondo excedente constante), los autores calcularon una tasa de salto inducida por gamma de $0.34^{+0.07}_{-0.06}$ mHz y una tasa excedente de $0.17^{+0.04}_{-0.03}$ mHz presente en ambas configuraciones. Este exceso es inconsistente con las tasas de muones esperadas (que son $\sim 0.08$ mHz/cm$^2$) y con el flujo gamma ambiental por sí solo.
• Ruido Correlacionado: El estudio midió saltos de carga correlacionados entre pares de qubits. Para qubits separados por menos de 1 mm (340 $\mu$m y 640 $\mu$m), se observaron saltos correlacionados. Sin embargo, para pares de qubits separados por distancias mayores a 3 mm (específicamente de 3.18 mm a 3.33 mm), el equipo observó cero saltos de carga correlacionados durante 22 horas consecutivas de operación continua en la configuración de Escudo Cerrado.
• Magnitud de los Saltos: Los saltos de carga detectados oscilaron entre $0.1e$ y $0.5e$.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma presentar la primera medición de ruido de carga correlacionado en un chip de qubits sensibles a la carga operado en un entorno subterráneo. La principal significancia radica en la demostración de que el traslado a una instalación subterránea reduce significativamente la tasa de eventos de ráfaga de carga, aunque no tan drásticamente como la reducción en el flujo de muones por sí sola, lo que apunta a otras fuentes de radiación o mecanismos internos.

Crucialmente, los autores reportan la primera eliminación del ruido de carga correlacionado en qubits sensibles a la carga separados por más de 3 mm durante escalas de tiempo cercanas a un día. Este hallazgo es significativo para la computación cuántica tolerante a fallos, ya que sugiere que la separación espacial de los qubits puede mitigar eficazmente los errores correlacionados inducidos por la radiación ionizante en entornos de bajo fondo. Además, los resultados contribuyen a la comprensión de los qubits superconductores como detectores de partículas para la física fundamental, destacando la necesidad de caracterizar y mitigar mecanismos específicos de error inducidos por la radiación. Los autores señalan que el origen de las ráfagas de carga "excedentes" observadas en la configuración blindada sigue siendo una cuestión abierta, con candidatos potenciales que incluyen la relajación de carga atrapada, secundarias de interacciones cosmogénicas con materiales del criostato o fuentes de radiación locales anómalas.