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

Cette étude présente une nouvelle méthode de spectroscopie pour les qubits transmon à fréquence fixe, permettant d'identifier et de suivre les fluctuations des systèmes à deux niveaux (TLS) en analysant les corrélations de relaxation entre les différents états excités du qubit.

L'essentiel

Le Mystère des "Fantômes" dans l'Ordinateur Quantique

Imaginez que vous essayez de construire une horloge d'une précision absolue, capable de mesurer des milliardièmes de seconde. Mais, pour une raison mystérieuse, cette horloge semble parfois ralentir ou s'emballer sans raison apparente. En fouillant, vous réalisez que ce n'est pas l'horloge qui est cassée, mais qu'il y a des microscopiques "fantômes" (des impuretés invisibles) qui flottent autour des rouages et viennent parfois les freiner.

Dans le monde de l'informatique quantique, ces "fantômes" existent vraiment : on les appelle des TLS (Two-Level Systems). Ce sont de minuscules défauts dans les matériaux utilisés pour fabriquer les processeurs. Ils agissent comme des petits aimants ou des obstacles qui "volent" l'énergie de nos qubits (les unités de calcul quantique), provoquant des erreurs de calcul.

Le problème : Le mur de la fréquence fixe

Pour chasser ces fantômes, les scientifiques utilisent normalement une technique de "balayage". C'est comme si, pour trouver un intrus dans une pièce sombre, vous changiez constamment la couleur de votre lampe de poche jusqu'à ce que l'ombre de l'intrus apparaisse.

Le problème, c'est que les processeurs les plus stables (les "transmons à fréquence fixe") sont comme des lampes dont on ne peut pas changer la couleur. On est coincé avec une seule lumière, et si le fantôme est sur une autre fréquence, il reste invisible.

La solution de l'équipe de Fermilab : La danse des niveaux

Les chercheurs de ce papier ont trouvé une astuce géniale. Au lieu de changer la couleur de la lampe, ils vont observer comment l'énergie descend les marches d'un escalier.

Imaginez un escalier à trois marches (les niveaux d'énergie du qubit) :

1. Le niveau 0 (le sol).
2. Le niveau 1 (le premier étage).
3. Le niveau 2 (le deuxième étage).

D'habitude, on regarde juste si on tombe du premier étage au sol. Mais l'équipe a dit : "Et si on montait tout en haut, au deuxième étage, et qu'on regardait comment on redescend ?"

En observant simultanément la vitesse à laquelle on tombe du niveau 2 vers le 1, ET la vitesse à laquelle on tombe du niveau 1 vers le 0, ils ont découvert une corrélation magique.

L'analogie de la balançoire

Imaginez deux balançoires reliées par une corde. Si un fantôme vient perturber la première balançoire, il va forcément influencer la deuxième d'une manière spécifique.

Les chercheurs ont remarqué que lorsque la durée de vie du premier étage (niveau 1) augmentait, celle du deuxième étage (niveau 2) diminuait, et vice versa. C'est ce qu'ils appellent une "anti-corrélation". C'est la signature indéniable d'un fantôme qui se déplace !

C'est comme si vous voyiez une ombre passer : même si vous ne voyez pas le fantôme directement, le fait que l'ombre s'étire d'un côté tout en rétrécissant de l'autre vous permet de dire : "Ah ! Je sais exactement où il est et à quelle vitesse il bouge !"

Pourquoi est-ce une révolution ?

1. On voit l'invisible : Ils ont réussi à détecter des fantômes qui étaient très loin de la fréquence de travail du qubit (plus de 100 MHz de distance !), ce qui était impossible auparavant.
2. Pas besoin de matériel complexe : Ils n'ont pas eu besoin de modifier la structure du processeur ou d'ajouter des commandes compliquées. Ils ont simplement utilisé une méthode de mesure plus intelligente.
3. Une carte pour le futur : En suivant la "trajectoire" de ces défauts dans le temps, les ingénieurs peuvent désormais savoir comment améliorer les matériaux pour que ces fantômes disparaissent définitivement.

En résumé : En observant la chute de l'énergie à travers plusieurs étages plutôt qu'un seul, les scientifiques ont trouvé un moyen de "voir" les défauts invisibles qui perturbent les ordinateurs quantiques, même sans pouvoir changer la fréquence de leurs instruments. C'est une étape cruciale pour construire des ordinateurs quantiques plus stables et plus puissants.

Résumé technique

Résumé Technique : Spectroscopie de systèmes à deux niveaux par relaxation multilevel corrélée dans les qubits supraconducteurs

Problématique
Dans les processeurs quantiques à base de transmons, la cohérence est limitée par la relaxation d'énergie ($T_1$) causée par des systèmes à deux niveaux (TLS - Two-Level Systems) présents dans les diélectriques et les interfaces des matériaux. Traditionnellement, pour identifier et caractériser ces défauts (TLS), il est nécessaire de faire varier la fréquence du qubit (via un flux magnétique) ou d'utiliser des décalages AC-Stark pour entrer en résonance avec le défaut. Cependant, cette approche est complexe à mettre en œuvre pour les architectures à fréquence fixe, qui sont pourtant privilégiées pour leur scalabilité et leur faible sensibilité au bruit de flux.

Méthodologie
Les auteurs proposent une nouvelle méthode de spectroscopie conçue spécifiquement pour les transmons à fréquence fixe, basée sur l'analyse de la relaxation multi-niveaux (qutrit).

1. Protocole de préparation : Au lieu de se limiter aux niveaux $|0\rangle$ et $|1\rangle$, le protocole prépare systématiquement le transmon dans son deuxième état excité $|2\rangle$.
2. Extraction simultanée : En mesurant l'évolution des populations des trois niveaux ($|0\rangle, |1\rangle, |2\rangle$) en fonction du temps, les chercheurs extraient simultanément les taux de relaxation du premier état excité ($\Gamma_{10}$, lié à $T_{1e}$) et du second état excité ($\Gamma_{21}$, lié à $T_{1f}$).
3. Analyse de corrélation : La méthode repose sur l'observation des fluctuations temporelles de ces deux taux. Si un TLS unique se situe entre les fréquences de transition $\omega_{01}$ et $\omega_{12}$, un décalage de la fréquence du TLS entraînera une augmentation du taux de relaxation pour une transition tout en diminuant celui de l'autre, créant une anti-corrélation caractéristique.
4. Modélisation : Les données sont ajustées à un modèle de densité spectrale de bruit de type Lorentzien pour reconstruire la trajectoire de fréquence du TLS.

Résultats clés

• Identification de TLS dominants : Pour le dispositif A, l'étude a révélé une forte anti-corrélation entre $T_{1e}$ et $T_{1f}$ sur plus de 60 heures, permettant de reconstruire la dérive de fréquence d'un TLS dominant.
• Détection de TLS éloignés : L'étude démontre de manière remarquable que des TLS situés à plus de 100 MHz de la transition du qubit peuvent influencer significativement la relaxation via les queues de la distribution lorentzienne.
• Multiplicité des défauts : Pour le dispositif B, l'absence de corrélation nette et l'inversion intermittente des temps de vie ($T_{1e} < T_{1f}$) ont permis d'identifier la présence de plusieurs TLS distincts (modèle à deux TLS), l'un étant proche de $\omega_{01}$ et l'autre plus stable.
• Précision : La méthode permet de suivre des dérives de fréquence de TLS de l'ordre de ~10 MHz, bien supérieures aux fluctuations intrinsèques du transmon ($\lesssim$ 10 kHz).

Contributions et Signification

• Innovation diagnostique : Cette méthode offre un outil puissant de caractérisation des défauts sans nécessiter de composants de contrôle complexes (inductances accordables par flux) ou de protocoles de décalage de fréquence intensifs.
• Compréhension de la cohérence : Elle prouve que la gestion de la cohérence ne doit pas se limiter à l'éloignement des TLS par rapport à la fréquence de travail du qubit, car des défauts "éloignés" impactent tout de même les performances.
• Ingénierie du bruit : En permettant une cartographie précise de la dynamique des TLS, cette technique ouvre la voie à une ingénierie active du spectre de bruit pour stabiliser et améliorer la cohérence des futurs processeurs quantiques scalables.