Characterization of drive-induced unwanted state transitions in superconducting circuits

En la búsqueda de construir una computadora cuántica, los científicos compiten por dominar el comportamiento de la materia en sus escalas más pequeñas. Una de las herramientas más prometedoras para esta tarea es el circuito superconductor, un diminuto bucle electrónico hecho de materiales que conducen electricidad sin ninguna resistencia cuando se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto. Estos circuitos actúan como átomos artificiales, capaces de mantener la información en un estado de superposición cuántica, donde pueden existir en múltiples configuraciones simultáneamente. Para que estos circuitos sean útiles, los investigadores deben ser capaces de controlarlos con extrema precisión, utilizando pulsos de microondas para cambiar sus estados, realizar cálculos y leer los resultados. Sin embargo, a medida que estas máquinas se vuelven más complejas, surge un problema persistente: las mismas señales utilizadas para controlar los circuitos pueden, a veces, hacer que estos funcionen mal, saltando a estados no deseados y perdiendo la información que deben contener. Este problema es un importante cuello de botella, que limita la velocidad y la precisión con la que estas máquinas cuánticas pueden operar.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Yale ha mapeado ahora exactamente cómo y por qué ocurren estos fallos. Al someter un tipo específico de circuito superconductor, conocido como transmon, a una amplia gama de frecuencias y niveles de potencia de microondas, descubrieron que las transiciones de estado no deseadas no son causadas por un único error, sino por tres mecanismos físicos distintos. El primer mecanismo implica que el control de microondas sintoniza accidentalmente el circuito en resonancia con defectos parásitos invisibles en los materiales que lo rodean. El segundo es una propiedad intrínseca del propio circuito, donde el control obliga al sistema a absorber múltiples fotones a la vez, empujándolo hacia estados de alta energía a los que nunca debió llegar. El tercer mecanismo es una forma de dispersión, donde el control provoca que el circuito cambie de estado mientras descarga el exceso de energía en ondas electromagnéticas errantes atrapadas dentro de la carcasa del dispositivo.

Los investigadores abordaron este problema como cartógrafos trazando un paisaje peligroso. Establecieron un experimento en el que prepararon su circuito en un estado conocido y luego lo bombardearon con un pulso de "bombeo" de microondas que variaba tanto en frecuencia como en potencia. Luego midieron dónde terminaba el circuito. Al barrer la frecuencia de control a través de un rango masivo, desde aproximadamente 2.8 GHz hasta 11.8 GHz, y ajustando la potencia, generaron un mapa detallado de cada forma posible en que el circuito podría desviarse del camino. Este mapa reveló un terreno complejo de resonancias, que aparecían como líneas brillantes y parches difusos donde la probabilidad de un error se disparaba. El objetivo del equipo era clasificar estas características en sus tres categorías, comprendiendo la causa raíz de cada una para que los diseños futuros pudieran evitarlas.

La primera categoría de problemas, que los investigadores identificaron como intercambio de energía resonante, se comporta de manera diferente a las demás. Estas transiciones no dependen de la frecuencia específica de la microonda, sino de cuánto desplaza el control los niveles de energía del circuito. Cuando se aplica una señal de microondas fuerte, esta empuja la frecuencia natural del circuito hacia arriba o hacia abajo, un fenómeno conocido como desplazamiento ac-Stark. Si este desplazamiento mueve la frecuencia del circuito para que coincida con la de un defecto diminuto y oculto en el material —a menudo llamado sistema de dos niveles—, el circuito puede repentinamente descargar su energía en dicho defecto. Los investigadores observaron esto al vigilar cómo el circuito decaía con el tiempo. Descubrieron que estos defectos no son estáticos; se desplazan y cambian entre diferentes frecuencias durante períodos de minutos u horas, creando un objetivo cambiante que es difícil de predecir. Este mecanismo es una causa principal de pérdida de energía, lo que limita cuánto tiempo puede sobrevivir la información cuántica.

La segunda categoría consiste en transiciones que están integradas en el propio diseño del circuito. Incluso si el dispositivo estuviera perfectamente aislado del mundo exterior, el control de microondas podría forzar al circuito a absorber dos o más fotones al mismo tiempo. Debido a que el circuito es no lineal, es decir, su respuesta cambia dependiendo de su estado, puede saltar directamente desde su estado fundamental a un estado mucho más alto y no computacional al absorber múltiples fotones de la señal en un solo evento. Los investigadores utilizaron simulaciones computacionales avanzadas basadas en las leyes de la mecánica cuántica para predecir exactamente dónde ocurrirían estos saltos. Las simulaciones coincidieron notablemente bien con los datos experimentales, confirmando que estas transiciones son una característica inherica de la física del circuito. Los investigadores señalaron que estos saltos se vuelven "difusos" o dispersos porque la carga eléctrica interna del circuito deriva ligeramente con el tiempo, desdibujando las condiciones exactas necesarias para que ocurra el salto.

La tercera categoría involucra la interacción del circuito con el entorno electromagnético creado por la estructura física del dispositivo. Cuando la microonda de control golpea el circuito, puede dispersarse, cambiando el estado del circuito y, simultáneamente, excitando una onda electromagnética errante atrapada en la carcasa metálica o el paquete que rodea al chip. Estas ondas errantes actúan como resonadores ocultos y, si su frecuencia coincide con la diferencia de energía creada por el evento de dispersión, la transición se vuelve altamente probable. Los investigadores descubrieron que estos modos errantes pueden existir en frecuencias mucho más altas que la propia frecuencia de operación del circuito, llegando incluso hasta los 28 GHz. Al realizar simulaciones electromagnéticas de todo el paquete del dispositivo, pudieron identificar las formas y ubicaciones específicas de estos modos errantes, demostrando que el diseño físico del dispositivo juega un papel crítico en la creación de estos errores.

Para distinguir entre estas tres causas, el equipo desarrolló un método sistemático de eliminación. Si una transición aparecía independientemente de la frecuencia de control y dependía solo del desplazamiento inducido por la potencia, se atribuía a los defectos del material. Si la transición aparecía en las simulaciones por computadora del circuito aislado, se clasificaba como un evento multifotónico intrínseco. Cualquier transición restante que no pudiera explicarse por el circuito solo fue identificada como un evento de dispersión inelástica que involucraba al entorno externo. Esta clasificación les permitió señalar el origen de casi cada error observado en el experimento. Encontraron que, si bien algunas transiciones eran causadas por el comportamiento impredecible de los defectos de los materiales, la mayoría de los patrones complejos que observaron podían predecirse mediante la simulación de la interacción del circuito con su entorno electromagnético.

Las implicaciones de este trabajo se extienden más allá de un solo experimento. Los investigadores demostraron que, al comprender los mecanismos específicos detrás de estos errores, los ingenieros pueden tomar decisiones informadas para evitarlos. Por ejemplo, mostraron que ciertas frecuencias de control son mucho más seguras que otras, ofreciendo "ventanas" donde el circuito puede ser controlado sin activar estas transiciones no deseadas. También destacaron que el diseño del paquete del dispositivo es tan importante como el diseño del circuito mismo, ya que la carcasa metálica puede albergar modos resonantes que sabotean la operación. Si bien los defectos microscópicos en los materiales siguen siendo un desafío que requiere mejores técnicas de fabricación, el entorno electromagnético puede ser diseñado y simulado para minimizar su impacto.

Este estudio proporciona un marco integral para diagnosticar y mitigar los errores que plagan los circuitos cuánticos superconductores. Al separar las causas del fallo en categorías distintas y comprensibles, los investigadores han ofrecido un camino claro para mejorar la fidelidad de las operaciones cuánticas. Su trabajo sugiere que la clave para construir computadoras cuánticas más fiables no reside solo en crear mejores circuitos, sino en comprender la compleja danza entre el circuito, los materiales con los que está construido y las ondas electromagnéticas que lo rodean. Mediante un diseño cuidadoso y la selección estratégica de las frecuencias de control, es posible navegar alrededor de estos obstáculos, allanando el camino para un procesamiento de información cuántica más robusto y potente.