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

Résumé technique : Détection en temps réel d'événements de tunnel de quasiparticules corrélés dans un dispositif supraconducteur multi-qubits

Énoncé du problème
Le tunnel des quasiparticules (QP) à travers les jonctions Josephson est une source significative de décohérence et d'erreurs corrélées dans les circuits quantiques supraconducteurs. Bien que les récentes améliorations matérielles aient renforcé la cohérence des qubits, le passage à l'échelle des processeurs quantiques a accentué la nécessité de comprendre et d'atténuer les erreurs induites par les QP, en particulier les « salves » (bursts) de QP qui créent des erreurs temporelles et spatiales corrélées. De telles corrélations violent les hypothèses des codes de correction d'erreurs quantiques comme le code de surface. Ces salves sont souvent attribuées au rayonnement ionisant (rayons cosmiques, matériaux radioactifs) ou à la libération de contraintes phononiques, qui peuvent simultanément dégrader les temps de relaxation à travers plusieurs qubits. Il existe une lacune critique dans la capacité de détecter ces événements en temps réel sur des dispositifs individuels afin de distinguer les événements de tunnel de fond non corrélés des événements de salve corrélés, et pour identifier leurs origines physiques (par exemple, les événements ionisants versus les événements purement phononiques).

Méthodologie
Les auteurs ont développé un schéma de détection en temps réel utilisant deux qubits transmon modérément sensibles à la charge (QPD1 et QPD2), co-logés sur une seule puce de silicium et couplés à un guide d'ondes coplanaire commun.

• Architecture du dispositif : Les deux transmons, séparés de 1,5 mm, partagent une géométrie de condensateur mais possèdent des surfaces de jonction différentes. Ils sont fabriqués avec des jonctions Josephson en aluminium sur un substrat de silicium avec un plan de masse en aluminium. Le dispositif est protégé dans une enceinte en cuivre scellée à l'indium avec des filtres de drainage de rayonnement haute énergie pour supprimer le rayonnement externe haute fréquence.
• Mécanisme de détection : Le système utilise la diffusion micro-onde cohérente. Un ton de commande continu est appliqué aux fréquences de transition des qubits, lesquelles dépendent de la parité de charge ($P = \pm 1$). Lorsqu'une QP effectue un effet tunnel sur ou hors d'une île, la parité de charge bascule, provoquant un décalage instantané de la fréquence de transition du qubit.
• Protocole de mesure : Les chercheurs surveillent en continu le champ transmis à travers le guide d'ondes. En démodulant numériquement le signal aux fréquences de transition dépendant de la parité ($\omega^\pm_{01}$), ils résolvent les transitions abruptes entre deux niveaux de signal discrets correspondant aux états de parité paire et impaire.
• Analyse des données : Les traces temporelles ont été acquises avec une taille de bac (bin) de 100 $\mu$s. Les auteurs ont employé un protocole de seuillage pour identifier les événements de commutation et ont utilisé l'estimation de densité par noyau (KDE) pour distinguer le basculement de fond des intervalles de « salve » (définis comme des séquences de sauts avec des séparations entre événements $< 5$ ms). Ils ont effectué une analyse de corrélation croisée sur les séries temporelles de comptage de salves pour déterminer les corrélations entre les dispositifs.

Contributions clés et résultats

1. Détection en temps réel du tunnel de QP : L'étude démontre avec succès la détection en temps réel d'événements de tunnel de QP individuels avec une résolution temporelle de l'ordre de dizaines de microsecondes. Les taux de tunnel de fond ont été mesurés à l'échelle du single-hertz ($\Gamma^{(1)}_{slow} \approx 5,28$ s$^{-1}$ et $\Gamma^{(2)}_{slow} \approx 3,61$ s$^{-1}$).
2. Identification des régimes de salve : Les auteurs ont identifié des « salves de QP » intermittentes où le taux de tunnel augmente d'environ trois ordres de grandeur (jusqu'à $\sim 4000$ s$^{-1}$). Ces salves ont une durée de vie caractéristique d'environ 7 ms.
3. Analyse de corrélation :
   • Fond non corrélé : En dehors des intervalles de salve, les événements de commutation sont bien décrits par des processus de Poisson indépendants, sans corrélation temporelle mesurable entre les deux dispositifs.
   • Salves corrélées : Un sous-ensemble significatif de salves (47 % des salves de QPD1 et 76 % de celles de QPD2) se produit de manière coïncidente dans les deux détecteurs. L'analyse de corrélation croisée ($R_{12}(\tau)$) montre un pic prononcé à un délai nul, confirmant la corrélation temporelle entre les dispositifs.
   • Salves non corrélées : Certaines salves ne se produisent que dans un seul détecteur, indiquant que tous les événements de salve ne sont pas spatialement corrélés.
4. Événements de décalage de charge d'offset : Les auteurs ont identifié une sous-classe rare de salves corrélées (survenant à $\sim 0,43$ h$^{-1}$ pour les événements coïncidents) accompagnées d'un décalage discret de la charge d'offset effective ($n_g$). Ce décalage se manifeste par un déplacement des clusters d'états de parité dans le plan IQ et un changement de la séparation de parité. Ces événements sont cohérents avec des événements de rayonnement ionisant qui perturbent l'environnement électrostatique local.
5. Distinction des mécanismes : Les résultats suggèrent que, bien que certaines salves soient accompagnées de décalages de charge (probablement des événements ionisants), de nombreuses salves corrélées se produisent sans décalage de charge détectable. Cela implique que les processus de rupture de paires médiés par les phonons, qui ne modifient pas le paysage de charge, contribuent également à la dynamique de QP corrélée.

Signification et affirmations
Cet article établit une méthode pratique et extensible pour identifier les salves de quasiparticules dans les circuits supraconducteurs, en distinguant leurs corrélations et leur structure spatiale. Les auteurs affirment que cette approche fait progresser la voie vers la suppression des erreurs corrélées dans les processeurs quantiques supraconducteurs en fournissant un outil de diagnostic qui va au-delà des mesures de dégradation transitoire du temps de cohérence. En résolvant les événements de tunnel individuels, la méthode offre un étalon plus sensible pour évaluer les stratégies d'atténuation telles que l'ingénierie de gap et le piégeage de phonons. Ce travail souligne que les erreurs corrélées peuvent provenir de multiples mécanismes physiques (rayonnement ionisant et contraintes phononiques), nécessitant une approche multidimensionnelle de l'atténuation des erreurs dans les processeurs quantiques à grande échelle. Les auteurs notent que bien que leur configuration actuelle fournisse une résolution spatiale entre deux dispositifs, l'intégration de plus de détecteurs pourrait davantage améliorer la cartographie spatiale de ces événements.