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Adaptive Spectroscopy of Fast Two-Level-System Dynamics in Superconducting Qubits

Este artículo introduce una técnica de espectroscopia adaptativa basada en FPGA que logra una resolución temporal de subsegundos para revelar la conmutación telegráfica rápida y la difusión espectral de defectos de sistemas de dos niveles parásitos en cúbits superconductores, un régimen previamente inaccesible para las mediciones convencionales de una hora y crítico para comprender los errores a nivel de puerta.

Autores originales: Fabrizio Berritta, David Pahl, Lukas Pahl, William P. Banner, Gabriel Cutter, Jan A. Krzywda, Spencer Weeden, Shravan Patel, Paul Buttles, Stanislav Eilhart, Michael Gingras, Bethany M. Niedzielski, R

Publicado 2026-08-04

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CC BY 4.0

Autores originales: Fabrizio Berritta, David Pahl, Lukas Pahl, William P. Banner, Gabriel Cutter, Jan A. Krzywda, Spencer Weeden, Shravan Patel, Paul Buttles, Stanislav Eilhart, Michael Gingras, Bethany M. Niedzielski, Robert McDermott, Mollie E. Schwartz, Kyle Serniak, Max Hays, Jeffrey A. Grover, William D. Oliver

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que estás intentando escuchar una nota única y perfecta tocada por un violín en una sala de conciertos. Ahora, imagina que la sala está llena de miles de diminutos fantasmas invisibles. Estos fantasmas no dan miedo; solo son muy inquietos. Cada pocos segundos, uno de ellos podría saltar sobre la cuerda del violín, cambiando el tono de la nota solo un poquito, o haciendo que el sonido se desvanezca más rápido de lo que debería. En el mundo de la computación cuántica, estos "fantasmas" son reales. Se llaman sistemas de dos niveles (TLS, por sus siglas en inglés) y son diminutos defectos ocultos dentro de los materiales que componen las computadoras cuánticas.

La computación cuántica es el próximo gran salto tecnológico, prometiendo resolver problemas que son imposibles para las supercomputadoras actuales. Utilizan "qubits" (bits cuánticos) para hacer sus cálculos. Pero los qubits son increíblemente frágiles. Si un qubit pierde su energía o se confunde por el ruido, el cálculo falla. Durante años, los científicos han sabido que estos defectos TLS son la razón principal por la que los qubits pierden su energía y cometen errores. El problema es que estos defectos son escurridizos. Se mueven, cambian su frecuencia y se encienden y apagan. Hasta ahora, las herramientas utilizadas para estudiarlos eran como intentar tomar una foto de un colibrí con una cámara que toma una foto cada hora. Para cuando la foto se revelaba, el pájaro ya se había movido, cambiado de color y se había ido volando. Sabíamos que los fantasmas estaban ahí, pero no podíamos atraparlos en el acto.

Aquí es donde un nuevo equipo de investigadores entra en escena con un truco ingenioso. Construyeron una "supercámara de alta velocidad" para estos fantasmas cuánticos. En lugar de esperar horas para ver qué está haciendo un defecto, utilizan un sistema inteligente y adaptativo que actualiza sus suposiciones miles de veces por segundo. Con este nuevo método, descubrieron que estos defectos son mucho más activos de lo que pensábamos. Descubrieron que algunos defectos cambian su comportamiento en solo unos pocos segundos, y otros deambulan como una persona ebria caminando a casa, moviéndose mucho más rápido de lo que nadie había visto antes.

Aquí está la historia de su descubrimiento, contada en el lenguaje de un adolescente curioso.

Los fantasmas en la máquina

Piensa en un qubit superconductor como una estación de radio muy sensible. Emite a una frecuencia específica, como 5.1 gigahercios. Para hacer su trabajo, necesita mantenerse sintonizada en esa frecuencia exacta. Pero dentro del radio, hay diminutos "defectos" invisibles (los TLS) acechando en el aislamiento y el metal. A veces, un defecto decide sintonizar la misma frecuencia que el radio. Cuando esto sucede, el radio se distrae. Pierde su energía hacia el defecto, y la señal se desvanece. Esto se llama "relajación", y es el enemigo de la computación cuántica.

Durante mucho tiempo, los científicos pensaron que estos defectos eran mayormente estacionarios. Creían que si observabas un defecto, este se quedaría en su lugar durante horas, tal vez desplazándose lentamente como una nube en el cielo. Si querías mapear dónde estaban estos defectos y cómo se movían, tenías que pasar horas escaneando las frecuencias de radio. Era como intentar mapear una ciudad caminando por ella una vez al día; te perderías todos los atascos de tráfico y a la gente corriendo de un lado a otro.

El avance de la "cámara inteligente"

Los investigadores de este artículo, trabajando con dispositivos construidos en el MIT y la Universidad de Wisconsin, decidieron construir una mejor manera de observar a los fantasmas. Utilizaron un tipo especial de qubit que puede cambiar su frecuencia sobre la marcha, como un radio que puede sintonizar instantáneamente cualquier estación. También utilizaron un chip de computadora superrápido llamado FPGA (Matriz de Puertas Programables en Campo) para actuar como el cerebro de la operación.

En lugar de simplemente mirar un punto durante mucho tiempo, su sistema es "adaptativo". Imagina que estás jugando a "caliente o frío" para encontrar un objeto oculto. Un jugador normal podría revisar un lugar, esperar un minuto y luego revisar otro. Este nuevo sistema es como un jugador genio que, después de cada suposición, calcula instantáneamente dónde es más probable que esté el objeto a continuación y salta allí de inmediato.

Utilizaron este método para escanear el rango de frecuencia del qubit. Cada vez que revisaban una frecuencia, el sistema medía qué tan rápido perdía energía el qubit. Si la pérdida de energía aumentaba bruscamente, significaba que había un defecto allí. Debido a que el sistema era tan rápido, podía tomar una "instantánea" de todo el rango de frecuencia en menos de un segundo. Al repetir esto una y otra vez, crearon una película de los defectos en acción.

La sorpresa: Los fantasmas son hiperactivos

Cuando vieron la película, los resultados fueron impactantes. Encontraron dos tipos principales de comportamiento "fantasmagórico" que estaban sucediendo mucho más rápido de lo esperado.

1. El interruptor de telegrafía:
Algunos defectos actuaban como un interruptor de luz que es pulsado por una mano nerviosa. El defecto se situaba en una frecuencia, causando que el qubit perdiera energía, y luego de repente—¡puf!—saltaba a una frecuencia diferente. Los investigadores midieron que estos saltos ocurrían con un tiempo característico de aproximadamente 2.2 segundos.

Piénsalo como el haz de un faro que de repente apunta hacia una dirección diferente. En el pasado, los científicos pensaban que estos cambios ocurrían durante horas. Descubrir que ocurren en segundos significa que el entorno de la computadora cuántica es mucho más caótico de lo que pensábamos. Es como darse cuenta de que la habitación en la que estás sentado está llena de personas saltando de silla en silla constantemente, en lugar de estar sentadas tranquilas.

2. La caminata del borracho (Difusión espectral):
Otros defectos no solo saltaban; deambulaban. Se desplazaban lentamente a través del espectro de frecuencia, como una persona ebria tambaleándose por una calle. Los investigadores midieron qué tan rápido se desplazaban y encontraron una "difusividad" (una medida de qué tan rápido deambulan) de aproximadamente 0.9 MHz² s⁻¹.

Aquí está el detalle clave: esta velocidad de desplazamiento fue aproximadamente 300 veces más rápida que lo visto en experimentos anteriores que duraban horas. Resulta que las mediciones lentas de varias horas estaban "desenfocando" la imagen. Al promediar todo durante un largo tiempo, los científicos habían pasado por alto el hecho de que los defectos en realidad se movían rápidamente. Es como mirar un coche rápido a través de una ventana empañada; si miras durante mucho tiempo, el coche solo parece una mancha borrosa. Pero si tienes una cámara rápida, ves que va a toda velocidad.

Por qué esto importa para tu futura computadora

Podrías preguntarte: "¿Y qué? Solo es un poco más rápido en segundos". Pero en el mundo de la computación cuántica, el tiempo lo es todo.

Los investigadores también comprobaron si estos fantasmas de movimiento rápido realmente causaban errores en la lógica de la computadora. Realizaron una prueba llamada "benchmarking aleatorizado", que es como una prueba de esfuerzo para el cerebro de la computadora. Encontraron una conexión fuerte: cuando un defecto estaba activo y causaba que el qubit perdiera energía rápidamente, la computadora cometía más errores en sus cálculos. La correlación fue fuerte, con un valor de 0.618, lo que significa que los fantasmas definitivamente estaban arruinando el trabajo.

Esto cambia las reglas del juego para cómo construimos y reparamos las computadoras cuánticas. Durante mucho tiempo, el plan fue calibrar (ajustar) estas computadoras cada pocas horas. Pero si los defectos están saltando de un lado a otro cada pocos segundos, calibrar cada pocas horas es como intentar arreglar el motor de un coche mientras el coche viaja a 100 mph. Vas a perderte el problema.

El artículo sugiere que necesitamos una nueva forma de pensar. En lugar de revisar la computadora una vez al día, podríamos necesitar revisarla constantemente, en tiempo real. Los investigadores demostraron que su "cámara inteligente" rápida podría usarse para detectar estos problemas a medida que ocurren. Si el sistema ve que un defecto está causando demasiados problemas, podría pausar el cálculo o ajustar la frecuencia para evitar al fantasma por completo.

La conclusión

Este artículo no solo encontró un nuevo tipo de defecto; encontró que los defectos que ya conocíamos son mucho más enérgicos e impredecibles de lo que jamás imaginamos. No son fantasmas estacionarios; son bailarines hiperactivos.

Los investigadores demostraron que, al usar mediciones rápidas y adaptativas, podemos ver estas danzas en tiempo real. Descartaron la idea de que estos movimientos rápidos son solo un error o un fallo del equipo; vieron el mismo comportamiento en dos dispositivos diferentes construidos en dos laboratorios distintos. No han resuelto el problema de los defectos todavía; aún no sabemos exactamente de qué están hechos estos defectos o cómo eliminarlos por completo. Pero nos dieron el primer mapa claro de alta velocidad de dónde están y cómo se mueven.

Es un poco como descubrir que la "estática" de un televisor viejo no es solo ruido aleatorio, sino un montón de criaturas diminutas y rápidas. Ahora que sabemos que están ahí y sabemos qué tan rápido se mueven, finalmente podemos empezar a construir mejores escudos para evitar que arruinen nuestro programa. Para el futuro de la computación cuántica, este es un gran paso adelante: ya no podemos ignorar a los fantasmas, pero ahora, finalmente, tenemos las herramientas para atraparlos.

Resumen Técnico: Espectroscopía Adaptativa de la Dinámica Rápida de Sistemas de Dos Niveles en Qubits Superconductores

Planteamiento del Problema
Los defectos parásitos de sistemas de dos niveles (TLS, por sus siglas en inglés) son una fuente primaria de relajación de energía e inestabilidad temporal en procesadores cuánticos superconductores. Aunque se sabe que los TLS causan saltos telegráficos discretos en la frecuencia del qubit y modulan las tasas de decaimiento de energía ( $\Gamma_1$ ), sus orígenes microscópicos siguen siendo desconocidos. Los esfuerzos de caracterización previos, particularmente en qubits transmon de frecuencia fija, han dependido típicamente de una espectroscopía no adaptativa que requiere horas de tiempo de medición. En consecuencia, estos métodos promedian las fluctuaciones rápidas, limitando la capacidad de observar la dinámica de los TLS en escalas de tiempo más rápidas que decenas de minutos. A medida que las unidades de procesamiento cuántico (QPU) escalan, la probabilidad de que los qubits se vean limitados por los TLS aumenta, y la incapacidad de rastrear fluctuaciones temporales rápidas impide la identificación de los factores limitantes y la implementación de una mitigación de errores efectiva.

Metodología
Los autores implementan un protocolo de espectroscopía de relajación adaptativa en qubits transmon sintonizables por flujo para resolver la dinámica de los TLS con una resolución temporal de subsegundo. El núcleo del método consiste en:

Estimación Bayesiana Adaptativa: En lugar de tiempos de espera fijos, el controlador utiliza una distribución de probabilidad bayesiana para estimar la tasa de decaimiento del qubit $\Gamma_1$ . Después de cada medición de disparo único (single-shot), la distribución se actualiza, y el siguiente tiempo de espera de la sonda ( $\tau_i$ ) se selecciona basándose en la estimación actual ( $\hat{\Gamma}_1$ ). Este enfoque, demostrado previamente en qubits de frecuencia fija, se adapta aquí para la espectroscopía con resolución de frecuencia.
Implementación en FPGA: El protocolo se ejecuta en un controlador de matriz de puertas programable en campo (FPGA Quantum Machines OPX1000), lo que permite actualizaciones de baja latencia y periodos de muestreo de subsegundo.
Configuración Experimental: Los experimentos se realizaron en dos dispositivos fabricados independientemente (el Dispositivo A en el Centro de Computación Cuántica de Israel y el Dispositivo B en el MIT) que contienen transmones sintonizables por flujo. Los qubits fueron recorridos a través de la resonancia con defectos TLS mediante la sintonización del flujo magnético externo.
Correlación con Errores de Puerta: Para evaluar el impacto de las fluctuaciones de los TLS en la computación, los autores intercalaron la estimación adaptativa de $\Gamma_1$ con el benchmarking aleatorio (RB) de una sola puerta para medir la infidelidad de la puerta.

Resultos Clave

Conmutación Telegráfica Rápida: La espectroscopía adaptativa reveló TLS cambiando entre frecuencias discretas con una escala de tiempo característica de aproximadamente 2.2 segundos. Esto es aproximadamente $3 \times 10^2$ veces más rápido que las escalas de tiempo observadas en la espectroscopía convencional no adaptativa.
Difusión Espectral: El estudio identificó TLS que exhiben difusión espectral con una difusividad $D \approx 0.93 \text{ MHz}^2 \text{ s}^{-1}$ . Este valor es también aproximadamente 300 veces mayor que las difusividades reportadas en estudios previos utilizando métodos convencionales.
Dinámica Mixta: Algunos TLS mostraron un régimen mixto donde la conmutación telegráfica rápida ocurría sobre un desplazamiento de frecuencia difusivo más lento.
Reproducibilidad: Se observaron dinámicas rápidas similares en múltiples qubits de dispositivos fabricados independientemente y medidos en diferentes laboratorios, lo que sugiere que estos son rasgos generales del paisaje de defectos y no anomalías específicas de un dispositivo.
Correlación con el Error de Puerta: El benchmarking aleatorio realizado en un punto operativo resonante con un TLS mostró una correlación significativa ( $\rho_0 = 0.618$ ) entre las fluctuaciones de $\Gamma_1$ rastreadas y la infidelidad de la puerta. En contraste, las mediciones tomadas a pocos MHz de la resonancia del TLS mostraron una correlación insignificante ( $\rho_0 = -0.0507$ ), confirmando que el TLS rastreado es un contribuyente significativo a los errores de puerta.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma revelar un régimen de dinámica de TLS con resolución de frecuencia previamente inaccesible. Al lograr una resolución temporal de subsegundo, los autores redefinen las escalas de tiempo relevantes para la caracterización y calibración de los procesadores cuánticos superconductores conscientes de los TLS. Los resultados demuestran que los TLS no son estáticos o de deriva lenta, sino que pueden fluctuar rápidamente, lo que requiere un cambio de la recalibración periódica (cada pocas horas) a bucles de calibración de baja latencia.

Los autores postulan que su protocolo permite:

La identificación rápida de qubits "atípicos" y de las fluctuaciones dependientes del tiempo en grandes QPU.
La caracterización y mitigación de errores eficiente mediante la identificación y evitación de frecuencias donde los TLS están en resonancia.
La integración de la espectroscopía en bucles de control adaptativo para la mitigación de errores en tiempo real (por ejemplo, pausar la operación cuando $\Gamma_1$ excede un umbral).
Pruebas experimentales rápidas de modelos microscópicos para la dinámica de los TLS mediante la cuantificación del acoplamiento de los TLS individuales con baños de defectos fluctuantes.

El trabajo no propone nuevos materiales o técnicas de fabricación para eliminar los TLS, sino que proporciona un marco de caracterización para comprender mejor y gestionar su impacto en el rendimiento de las QPU.

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