Two-Level System Spectroscopy from Correlated Multilevel Relaxation in Superconducting Qubits

1. El Problema: Limitaciones en la Caracterización de Defectos (TLS)

En la computación cuántica con circuitos superconductores, los transmones sufren de pérdida de coherencia debido a Sistemas de Dos Niveles (TLS) microscópicos presentes en los dieléctricos y las interfaces de los materiales.

Tradicionalmente, para identificar y estudiar estos defectos, se requiere que la transición del qubit entre en resonancia con el TLS. Esto suele implicar el uso de qubits con frecuencia sintonizable mediante flujo magnético o el uso de desplazamientos AC-Stark. Sin embargo, en arquitecturas escalables, se prefieren los transmones de frecuencia fija para evitar la complejidad de control y la sensibilidad al ruido de flujo. El problema radica en que, sin sintonización, es extremadamente difícil aislar y rastrear la dinámica de defectos individuales, especialmente aquellos que están ligeramente desintonizados de la transición principal del qubit.

2. Metodología: Protocolo de Relajación Multinivel

Los autores proponen un método novedoso de espectroscopia que no requiere sintonizar la frecuencia del qubit, basándose en la observación de la relajación de múltiples niveles de energía (qutrits).

• Preparación y Medición: El protocolo consiste en preparar repetidamente el transmon en su segundo estado excitado ($|2\rangle$). A partir de ahí, se mide simultáneamente la tasa de relajación de la transición $|2\rangle \to |1\rangle$ (denotada como $\Gamma_{21}$ o $1/T_{1f}$) y de la transición $|1\rangle \to |0\rangle$ ($\Gamma_{10}$ o $1/T_{1e}$).
• Análisis de Correlación: El núcleo del método es el análisis de la correlación temporal entre estas dos tasas de decaimiento. Si un único TLS se encuentra entre las frecuencias de transición $\omega_{01}$ y $\omega_{12}$, un desplazamiento en la frecuencia del TLS provocará que, mientras una tasa de relajación aumenta, la otra disminuya (anti-correlación).
• Modelado Matemático: Utilizan un modelo de densidad espectral de ruido de tipo Lorentziano para ajustar los datos y reconstruir la trayectoria de la frecuencia del TLS ($\omega_{TLS}$) y su ancho de línea ($\gamma_{TLS}$) a lo largo del tiempo.

3. Resultados Clave

El estudio presenta resultados en dos dispositivos distintos (Dispositivo A y Dispositivo B):

• Dispositivo A (Un solo TLS dominante): Se observó una fuerte anti-correlación entre $T_{1e}$ y $T_{1f}$ durante más de 60 horas. Al ajustar los datos con un modelo de un solo TLS, los autores lograron reconstruir con éxito la deriva de la frecuencia del defecto, la cual mostró fluctuaciones de aproximadamente $\sim 10$ MHz.
• Dispositivo B (Múltiples TLS): En este caso, las tasas de relajación mostraron una correlación mínima o nula, y se observaron incluso inversiones donde $T_{1e} < T_{1f}$. Esto permitió identificar la presencia de al menos dos TLS distintos operando de forma independiente.
• Sensibilidad de Largo Alcance: Un hallazgo sorprendente es que los TLS pueden influir significativamente en la relajación incluso cuando están desintonizados por más de 100 MHz de la transición del qubit, debido a las colas de la distribución Lorentziana del ruido.

4. Contribuciones y Significancia

Este trabajo aporta varias contribuciones fundamentales al campo de la ingeniería de materiales para computación cuántica:

1. Nueva Herramienta de Diagnóstico: Proporciona un método potente para la espectroscopia de TLS en arquitecturas de frecuencia fija, eliminando la necesidad de hardware de sintonización complejo.
2. Rastreo Temporal: Permite monitorear la deriva de frecuencia de los defectos individuales durante periodos prolongados (días), lo cual es crucial para entender la estabilidad de la calibración en procesadores cuánticos.
3. Validación de la Naturaleza del Ruido: Demuestra que la relajación no es solo un problema de proximidad de frecuencia, sino que defectos "lejanos" contribuyen al error, lo que redefine cómo se debe evaluar la calidad de los materiales dieléctricos.
4. Impacto en la Escalabilidad: Al ser un método de bajo costo experimental (mínimo overhead), es altamente aplicable a la caracterización de grandes procesadores de transmones de frecuencia fija.