Real-time detection of correlated quasiparticle tunneling events in a multi-qubit superconducting device

Resumen Técnico: Detección en tiempo real de eventos de tunelamiento de cuasipartículas correlacionados en un dispositivo superconductor de múltiples cúbits

Planteamiento del problema
El tunelamiento de cuasipartículas (QP) a través de uniones Josephson es una fuente significativa de decoherencia y errores correlacionados en circuitos cuánticos superconductores. Si bien las mejoras recientes en materiales han potenciado la coherencia de los cúbits, el escalado de los procesadores cuánticos ha aumentado la necesidad de comprender y mitigar los errores inducidos por QP, particularmente los "estallidos" (bursts) de QPs que crean errores temporales y espaciales correlacionados. Tales correlaciones violan los supuestos de los códigos de corrección de errores cuánticos como el código de superficie. Estos estallidos se atribuyen a menudo a la radiación ionizante (rayos cósmicos, materiales radiactivos) o a la liberación de estrés de fonones, que pueden degradar simultáneamente los tiempos de relajación en múltiples cúbits. Existe una brecha crítica en la capacidad de detectar estos eventos en tiempo real en dispositivos individuales para distinguir entre el tunelamiento de fondo no correlacionado y los eventos de estallido correlacionados, así como para identificar sus orígenes físicos (por ejemplo, eventos ionizantes frente a eventos solo de fonones).

Metodología
Los autores desarrollaron un esquema de detección en tiempo real utilizando dos cúbits transmon moderadamente sensibles a la carga (QPD1 y QPD2) alojados conjuntamente en un único chip de silicio y acoplados a una guía de onda coplanar común.

• Arquitectura del dispositivo: Los dos transmones, separados por 1.5 mm, comparten una geometría de capacitor pero tienen áreas de unión diferentes. Están fabricados con uniones Josephson de aluminio sobre un sustrato de silicio con un plano de tierra de aluminio. El dispositivo está blindado en un recinto de cobre sellado con indio y cuenta con filtros de drenaje de radiación de alta energía para suprimir la radiación externa de alta frecuencia.
• Mecanismo de detección: El sistema utiliza dispersión de microondas coherente. Se aplica un tono de excitación continuo a las frecuencias de transición de los cúbits, las cuales dependen de la paridad de carga ($P = \pm 1$). Cuando una QP tunela hacia adentro o hacia afuera de una isla, la paridad de carga cambia, provocando un desplazamiento instantáneo en la frecuencia de transición del cúbit.
• Protocolo de medición: Se monitoriza continuamente el campo transmitido a través de la guía de onda. Mediante la demodulación digital de la señal en las frecuencias de transición dependientes de la paridad ($\omega^\pm_{01}$), se resuelven transiciones abruptas entre dos niveles de señal discretos correspondientes a los estados de paridad par e impar.
• Análisis de datos: Las trazas temporales se adquirieron con un tamaño de bin de 100 $\mu$s. Los autores emplearon un protocolo de umbralización para identificar eventos de conmutación y utilizaron la estimación de densidad de kernel (KDE) para distinguir entre la conmutación de línea base y los intervalos de "estallido" (definidos como secuencias de saltos con separaciones entre eventos $< 5$ ms). Realizaron un análisis de correlación cruzada en las series temporales de conteo de estallidos para determinar las correlaciones entre dispositivos.

Contribuciones clave y resultados

1. Detección en tiempo real de tunelamiento de QP: El estudio demuestra con éxito la detección en tiempo real de eventos individuales de tunelamiento de QP con una resolución temporal de decenas de microsegundos. Las tasas de tunelamiento de fondo medidas fueron del orden de un solo hercio ($\Gamma^{(1)}_{slow} \approx 5.28$ s$^{-1}$ y $\Gamma^{(2)}_{slow} \approx 3.61$ s$^{-1}$).
2. Identificación de regímenes de estallido: Los autores identificaron "estallidos de QP" intermitentes donde la tasa de tunelamiento aumenta aproximadamente tres órdenes de magnitud (hasta $\sim 4000$ s$^{-1}$). Estos estallidos tienen una vida útil característica de aproximadamente 7 ms.
3. Análisis de correlación:
   • Fondo no correlacionado: Fuera de los intervalos de estallido, los eventos de conmutación están bien descritos por procesos de Poisson independientes sin una correlación temporal medible entre los dos dispositivos.
   • Estallidos correlacionados: Un subconjunto significativo de los estallidos (47% de los estallidos de QPD1 y 76% de los de QPD2) ocurre de forma coincidente en ambos detectores. El análisis de correlación cruzada ($R_{12}(\tau)$) muestra un pico pronunciado en el retraso cero, confirmando la correlación temporal entre los dispositivos.
   • Estallidos no correlacionados: Algunos estallidos ocurren en un solo detector, lo que indica que no todos los eventos de estallido están espacialmente correlacionados.
4. Eventos de desplazamiento de carga de offset: Los autores identificaron una subclase rara de estallidos correlacionados (que ocurren a $\sim 0.43$ h$^{-1}$ para eventos coincidentes) acompañados de un desplazamiento discreto en la carga de offset efectiva ($n_g$). Este desplazamiento se manifiesta como un desplazamiento de los cúmulos de estados de paridad en el plano IQ y un cambio en el desdoblamiento de la paridad. Estos eventos son consistentes con eventos de radiación ionizante que perturban el entorno electrostático local.
5. Distinción de mecanismos: Los resultados sugieren que, si bien algunos estallidos están acompañados de cambios de carga (probablemente eventos ionizantes), muchos estallidos correlacionados ocurren sin cambios de carga detectables. Esto implica que los procesos de ruptura de pares mediados por fonones, que no alteran el paisaje de carga, también contribuyen a la dinámica de las QP correlacionadas.

Significancia y afirmaciones
El artículo establece un método práctico y extensible para identificar estallidos de cuasipartículas en circuitos superconductores, distinguiendo entre sus correlaciones y su estructura espacial. Los autores afirman que este enfoque avanza en la ruta hacia la supresión de errores correlacionados en procesadores cuánticos superconductores al proporcionar una herramienta de diagnóstico que va más allá de las mediciones transitorias de degradación del tiempo de coherencia. Al resolver eventos de tunelamiento individuales, el método ofrece un punto de referencia más sensible para evaluar estrategias de mitigación, tales como la ingeniería de brecha (gap engineering) y el atrapamiento de fonones. El trabajo destaca que los errores correlacionados pueden surgir de múltiples mecanismos físicos (radiación ionizante y estrés de fonones), lo que requiere un enfoque multifacético para la mitigación de errores en procesadores cuánticos a gran escala. Los autores señalan que, aunque su configuración actual proporciona resolución espacial entre dos dispositivos, la integración de más detectores podría mejorar aún más el mapeo espacial de estos eventos.