⚛️ high-energy experiments

First Measurement of Correlated Charge Noise in Superconducting Qubits at an Underground Facility

मूल लेखक: G. Bratrud, S. Lewis, K. Anyang, A. Colón Cesaní, T. Dyson, H. Magoon, D. Sabhari, G. Spahn, G. Wagner, R. Gualtieri, N. A. Kurinsky, R. Linehan, R. McDermott, S. Sussman, D. J. Temples, S. Uemura, C.

प्रकाशित 2026-06-01

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CC BY 4.0

मूल लेखक: G. Bratrud, S. Lewis, K. Anyang, A. Colón Cesaní, T. Dyson, H. Magoon, D. Sabhari, G. Spahn, G. Wagner, R. Gualtieri, N. A. Kurinsky, R. Linehan, R. McDermott, S. Sussman, D. J. Temples, S. Uemura, C. Bathurst, G. Cancelo, R. Chen, A. Chou, I. Hernandez, M. Hollister, L. Hsu, C. James, K. Kennard, R. Khatiwada, P. Lukens, V. Novati, N. Raha, S. Ray, R. Ren, A. Rodriguez, B. Schmidt, K. Stifter, J. Yu, D. Baxter, E. Figueroa-Feliciano, D. Bowring

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

मुख्य विचार: एक क्वांटम कंप्यूटर के "स्टैटिक" (शोर) को सुनना

कल्पना कीजिए कि आपके पास एक बहुत ही नाजुक, हाई-टेक वाद्य यंत्र (एक सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट) है जिसे एक सटीक, स्थिर स्वर बजाना चाहिए। यह यंत्र इतना संवेदनशील है कि यदि उस पर धूल का एक कण भी गिर जाए, या हल्की सी हवा भी लग जाए, तो स्वर तुरंत बदल जाता है।

वैज्ञानिक इन कई यंत्रों को एक साथ बजाकर एक "क्वांटम कंप्यूटर" बनाना चाहते हैं। लेकिन उनके साथ एक समस्या है: शोर (Noise)। विशेष रूप से, अंतरिक्ष से आने वाले अदृश्य कण (कॉस्मिक किरणें) और प्राकृतिक बैकग्राउंड रेडिएशन (गामा किरणें) लगातार इस यंत्र से टकरा रहे हैं, जिससे इसमें "जंप" या गड़बड़ी (glitch) हो रही है। इन गड़बड़ियों को चार्ज जंप (charge jumps) कहा जाता है।

यह पेपर एक टीम के वैज्ञानिकों के बारे में है जिन्होंने अपने इस नाजुक यंत्र को शोर को कम करने और संगीत को स्पष्ट रूप से सुनने के लिए बहुत गहराई में स्थित एक भूमिगत स्थान पर ले जाकर परीक्षण किया।

प्रयोग: गहराई में जाना

1. स्थान (गहरा बंकर)
वैज्ञानिकों ने अपने प्रयोग को सतह पर स्थित लैब से हटाकर NEXUS नामक एक सुविधा में स्थानांतरित कर दिया, जो फर्मिलाब (Fermilab) के भीतर एक चट्टानी सुरंग में 107 मीटर (लगभग 35 मंजिल) नीचे स्थित है।

उपमा: पृथ्वी की सतह को एक व्यस्त राजमार्ग की तरह समझें जहाँ कारें (कॉस्मिक किरणें) लगातार दौड़ रही हैं। भूमिगत सुविधा एक गहरे बंकर की तरह है। ऊपर की मोटी चट्टान एक विशाल ढाल की तरह काम करती है, जो अंदर आने की कोशिश करने वाली 99% से अधिक "कारों" को रोक देती है।

2. ढाल (लेड का कंबल)
भूमिगत होने के बावजूद, कुछ रेडिएशन अंदर आ जाता है। इसका और अधिक परीक्षण करने के लिए, टीम ने अपने प्रयोग के चारों ओर मोटे लेड (सीसा) से बना एक चलने योग्य "कंबल" बनाया।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आपने एक भारी, लेड-लाइन वाला रेनकोट पहना है। जब कोट पहना होता है (Shield Closed), तो आप बारिश (गामा किरणों) से सुरक्षित रहते हैं। जब आप इसे उतार देते हैं (Shield Open), तो आप भीग जाते हैं। वैज्ञानिकों ने यह देखना चाहा कि दोनों स्थितियों में उनके यंत्र पर वास्तव में कितना "बारिश" का प्रभाव पड़ रहा है।

3. मापन (चार्ज जंप्स)
इस प्रयोग में क्यूबिट्स को "इलेक्ट्रोमीटर" के रूप में डिज़ाइन किया गया है—वे छोटे तराजू की तरह हैं जो इलेक्ट्रिक चार्ज को तौल सकते हैं। जब कोई कण चिप से टकराता है, तो वह बिजली का एक छोटा सा विस्फोट पैदा करता है, जिससे "तराजू" उछल जाता है।

उपमा: एक ट्रैम्पोलिन (trampoline) की कल्पना करें। यदि कोई उस पर कूदता है, तो वह उछलता है। यदि एक छोटी मक्खी उस पर बैठती है, तो वह मुश्किल से हिलता है। वैज्ञानिक अपने क्वांटम ट्रैम्पोलिन पर होने वाले "उछालों" (चार्ज जंप्स) पर नज़र रख रहे थे। वे विशेष रूप से कोरिलेटेड जंप्स (correlated jumps) की तलाश कर रहे थे—यानी वे समय जब दो अलग-अलग ट्रैम्पोलिन बिल्कुल एक ही समय पर उछले। यह क्वांटम कंप्यूटरों के लिए बुरा है क्योंकि इसका मतलब है कि एक ही कॉस्मिक किरण ने दोनों को प्रभावित किया, जिससे दोहरी त्रुटि (double error) हुई।

उन्हें क्या पता चला

1. "बारिश" हल्की हुई, लेकिन उम्मीद से उतनी नहीं
जब उन्होंने लेड शील्ड (ढाल) बंद की, तो चार्ज जंप्स की संख्या में कमी आई।

परिणाम: जंप्स लगभग 2.7 के कारक (factor) से कम हो गए।
आश्चर्य: वैज्ञानिकों ने ढाल पर टकराने वाले रेडिएशन को मापा और पाया कि "बारिश" (गामा किरणें) वास्तव में 20 के कारक से कम हो गई थी।
रूपक: यह एक ऐसा रेनकोट लगाने जैसा है जो 95% बारिश को रोकता है, लेकिन आप केवल 30% कम भीगे महसूस करते हैं। इससे वैज्ञानिकों को पता चला कि हालांकि ढाल ने बाहरी बारिश को रोक दिया था, लेकिन कहीं न कहीं से एक "लीक" अभी भी मौजूद था। मशीन के अंदर से ही शोर का एक अतिरिक्त स्रोत (excess source of noise) मौजूद है (शायद फ्रिज के अंदर की सामग्री या चिप में फंसे हुए चार्ज), जिसे लेड शील्ड नहीं रोक सकी।

2. "शांत" क्षेत्र (कोई कोरिलेटेड जंप नहीं)
सबसे रोमांचक खोज तब हुई जब उन्होंने देखा कि क्यूबिट्स एक-दूसरे से कितनी दूर थे।

सेटअप: उनके पास चार क्यूबिट्स थे। दो बहुत करीब थे (जैसे पड़ोसी), और दो बहुत दूर थे (जैसे सड़क के दूसरी ओर रहने वाले पड़ोसी)।
परिणाम: जब ढाल बंद थी, तो वैज्ञानिकों ने लगातार 22 घंटों तक प्रयोग चलाया। उस पूरे समय के दौरान, दो क्यूबिट्स जो एक-दूसरे से दूर थे (3 मिलीमीटर से अधिक), कभी भी एक साथ नहीं उछले।
रूपक: कल्पना कीजिए कि दो लोग 10 फीट की दूरी पर खड़े हैं। यदि आसमान से एक विशाल पत्थर गिरता है, तो वह दोनों को मार सकता है। लेकिन इस प्रयोग में, पूरे एक दिन के दौरान, कोई भी एकल "पत्थर" इतना बड़ा नहीं था कि वह दूर स्थित दोनों क्यूबिट्स को एक साथ मार सके। उन्होंने एक "शांत क्षेत्र" हासिल किया जहाँ त्रुटियाँ कंप्यूटर के दूर के हिस्सों में नहीं फैलीं।

निष्कर्ष

यह पेपर तीन मुख्य बातें दावा करता है:

भूमिगत होना मददगार है: प्रयोग को भूमिगत ले जाने से कॉस्मिक किरणों के कारण होने वाली त्रुटियों में काफी कमी आई।
एक रहस्य है: गहरा भूमिगत होने और लेड शील्ड होने के बावजूद, अभी भी उम्मीद से अधिक शोर मौजूद है। यह केवल बाहर से नहीं है; उपकरण के अंदर कुछ ऐसा है जो अभी भी "स्टैटिक" (शोर) पैदा कर रहा है।
दूरी मायने रखती है: पहली बार, उन्होंने साबित किया कि यदि आप अपने क्वांटम बिट्स को पर्याप्त दूरी पर (3 मिमी से अधिक) रखते हैं और उन्हें अच्छी तरह से ढंकते हैं, तो आप "कोरिलेटेड एरर्स" (जहाँ एक गलती गलतियों की एक श्रृंखला शुरू कर देती है) को लंबे समय के लिए रोक सकते हैं।

उन्होंने क्या दावा नहीं किया:
पेपर यह दावा नहीं करता है कि उन्होंने समस्याओं को हल करने के लिए एक काम करने वाला क्वांटम कंप्यूटर बनाया है। यह यह भी दावा नहीं करता है कि यह सभी त्रुटियों को हमेशा के लिए ठीक कर देता है। यह सख्ती से केवल "स्टैटिक" को मापने और यह साबित करने की रिपोर्ट करता है कि भूमिगत होने पर, शील्डिंग के साथ, स्टैटिक को उस स्तर तक कम किया जा सकता है जहाँ दूर के क्यूबिट्स एक-दूसरे के काम में बाधा नहीं डालते।

तकनीकी सारांश: एक भूमिगत सुविधा में सुपरकंडक्टिंग क्वबिट्स में सह-संबंधित चार्ज नॉइज़ का प्रथम मापन

समस्या विवरण
आयोनाइजिंग रेडिएशन (आयनीकरण विकिरण) को सुपरकंडक्टिंग क्वबिट्स में डिकोहेरेंस (decoherence) और सह-संबंधित त्रुटियों के एक महत्वपूर्ण स्रोत के रूप में तेजी से पहचाना जा रहा है। पिछले अध्ययनों ने आयोनाइजिंग रेडिएशन फ्लक्स (विशेष रूप से कॉस्मिक किरणें और पर्यावरणीय गामा किरणें) तथा क्वबिट ऊर्जा रिलैक्सेशन दरों ( $1/T_1$ ) और समवर्ती बहु-क्वबिट त्रुटियों के बीच एक संबंध स्थापित किया है। ये सह-संबंधित त्रुटियाँ क्वांटम एरर-करेक्टिंग सरफेस कोड्स की प्रभावकारिता के लिए एक चुनौती पेश करती हैं। जबकि सतह-स्तर की प्रयोगशालाएं कॉस्मिक रे मयून (cosmic ray muons) और परिवेशीय गामा रेडिएशन के उच्च फ्लक्स के प्रति संवेदनशील होती हैं, क्वबिट सबस्ट्रेट में चार्ज नॉइज़ में इन स्रोतों का विशिष्ट योगदान, और उन्हें कम करने की क्षमता, सतह-स्तर के बैकग्राउंड से अलगाव की मांग करती है। इसके अतिरिक्त, आयोनाइजिंग इवेंट्स द्वारा सबस्ट्रेट में चार्ज जंप (charge jumps) प्रेरित करने के तंत्र (जैसे इलेक्ट्रॉन-होल पेयर उत्पादन, फोनोन डिफ्यूजन और चार्ज ट्रैपिंग) नैनोसेकंड से लेकर दिनों तक के टाइमस्केल पर कार्य करते हैं, जिसके लिए शोर के वातावरण को पूरी तरह से समझने हेतु दीर्घकालिक निगरानी की आवश्यकता होती है।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने एक चार-क्वबिट कमजोर रूप से चार्ज-संवेदनशील ट्रांसमोन डिवाइस (जिसका $E_J/E_C = 24$ है) पर प्रयोग किया, जिसे मैडिसन, विस्कॉन्सिन में एक सतह प्रयोगशाला से नॉर्थवेस्टर्न एक्सपेरिमेंटल अंडरग्राउंड साइट (NEXUS), फर्मि लैब में 107 मीटर नीचे स्थानांतरित किया गया था। यह गहराई 225 मीटर पानी के बराबर चट्टानी ओवरबर्डन (rock overburden) प्रदान करती है, जो समुद्र तल की तुलना में कॉस्मिक रे मयून फ्लक्स को 99% से अधिक कम कर देती है।

प्रायोगिक सेटअप में शामिल थे:

शील्डिंग (Shielding): एक मॉड्यूलर लीड शील्ड जिसने क्रायोजेनिक पेलोड के चारों ओर $4\pi$ कवरेज प्रदान किया ताकि पर्यावरणीय गामा रेडिएशन को कम किया जा सके।
क्रायोजेनिक्स (Cryogenics): डिवाइस को पार्टिकुलेट संदूषण को न्यूनतम करने के लिए एक क्लीनरूम वातावरण के भीतर 10.5 mK के बेस तापमान पर एक डाइल्यूशन रेफ्रिजरेटर में संचालित किया गया।
रेडिएशन मॉनिटरिंग: एक $Li_2MoO_4$ (LMO) क्रिस्टल, जिसे एक ट्रांजिशन एज सेंसर (TES) के साथ सुसज्जित किया गया था, को क्वबिट चिप से 18.7 सेमी की दूरी पर उसी क्रायोस्टेट के भीतर गामा फ्लक्स और स्पेक्ट्रम को स्वतंत्र रूप से मापने के लिए रखा गया था।
मापन प्रोटोकॉल: टीम ने क्वबिट आइलैंड्स पर ऑफसेट चार्ज ( $n_g$ ) को उत्तेजित अवस्था की प्रायिकता ( $P_1$ ) में मैप करने के लिए रामसे टोमोग्राफी सीक्वेंस ( $X/2 - \text{Idle} - X/2$ ) का उपयोग किया। चार्ज बायस को स्कैन करके और फेज इवोल्यूशन का विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने प्रेरित चार्ज में विच्छिन्न (discontinuous) जंप का पता लगाया।
डेटा विश्लेषण: जंप-मुक्त स्कैन से प्राप्त टेम्पलेट के विरुद्ध टोमोग्राफी स्कैन को फिट करने के लिए एक रोलिंग $\chi^2$ मिनिमाइजेशन एल्गोरिदम का उपयोग किया गया। इस पद्धति ने $0.1e \le |\Delta q| \le 0.5e$ परिमाण वाले चार्ज जंप की पहचान की। इस डिटेक्शन विधि की दक्षता को सिमुलेशन के माध्यम से 70% से अधिक प्रमाणित किया गया।

दो प्राथमिक डेटासेट एकत्र किए गए:

शील्ड ओपन (SO): परिवेशीय गामा फ्लक्स स्थितियाँ।
शील्ड क्लोज्ड (SC): न्यूनतम गामा फ्लक्स स्थितियाँ (लीड शील्ड बंद)।

मुख्य परिणाम

चार्ज जंप दर: चार क्वबिट्स के लिए औसत चार्ज जंप दर 'शील्ड ओपन' कॉन्फ़िगरेशन में $0.51^{+0.05}_{-0.04}$ mHz मापी गई और 'शील्ड क्लोज्ड' कॉन्फ़िगरेशन में घटकर $0.19^{+0.04}_{-0.03}$ mHz हो गई।
गामा फ्लक्स सहसंबंध: LMO डिटेक्टर ने जब शील्ड बंद की गई, तो गामा फ्लक्स में कमी का कारक $20 \pm 1$ (ऊर्जा $>150$ keV के लिए) दर्ज किया। हालांकि, चार्ज जंप दर केवल 2.7 के कारक से कम हुई। यह विसंगति इंगित करती है कि लो-बैकग्राउंड SC कॉन्फ़िगरेशन में, चार्ज जंप दर बाहरी गामा फ्लक्स द्वारा डोमिनेटेड नहीं है।
अतिरिक्त दर (Excess Rate): एक स्थिर अतिरिक्त बैकग्राउंड को ध्यान में रखते हुए, SO दर से SC दर को घटाकर, लेखकों ने गामा-प्रेरित जंप दर $0.34^{+0.07}_{-0.06}$ mHz और एक अतिरिक्त दर $0.17^{+0.04}_{-0.03}$ mHz की गणना की जो दोनों कॉन्फ़िगरेशन में मौजूद है। यह अतिरिक्त दर अपेक्षित मयून दर ( $\sim 0.08$ mHz/cm $^2$ ) और परिवेशीय गामा फ्लक्स अकेले से असंगत है।
सह-संबंधित शोर (Correlated Noise): अध्ययन में क्वबिट जोड़ों के बीच सह-संबंधित चार्ज जंपों को मापा गया। उन क्वबिट्स के लिए जो 1 मिमी से कम की दूरी (340 $\mu$ m और 640 $\mu$ m) पर स्थित थे, सह-संबंधित जंप देखे गए। हालांकि, 3 मिमी से अधिक की दूरी (विशेष रूप से 3.18 mm से 3.33 mm) वाले क्वबिट जोड़ों के लिए, टीम ने 'शील्ड क्लोज्ड' कॉन्फ़िगरेशन में 22 लगातार घंटों के निरंतर संचालन के दौरान शून्य सह-संबंधित चार्ज जंप देखे।
जंप का परिमाण: पता लगाए गए चार्ज जंप $0.1e$ से $0.5e$ के बीच थे।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि यह एक भूमिगत वातावरण में संचालित चार्ज-संवेदनशील क्वबिट चिप में सह-संबंधित चार्ज नॉइज़ के पहले मापन को प्रस्तुत करता है। इसकी प्राथमिक महत्ता इस बात के प्रदर्शन में निहित है कि भूमिगत सुविधा में जाने से चार्ज बर्स्ट इवेंट्स की दर काफी कम हो जाती है, हालांकि यह केवल मयून फ्लक्स में कमी की तुलना में उतना नाटकीय नहीं है जितना अपेक्षित था, जो अन्य रेडिएशन स्रोतों या आंतरिक तंत्रों की ओर संकेत करता है।

महत्वपूर्ण रूप से, लेखक एक दिन के करीब के टाइमस्केल में 3 mm से अधिक की दूरी पर स्थित चार्ज-संवेदनशील क्वबिट्स में सह-संबंधित चार्ज नॉइज़ के उन्मूलन की पहली रिपोर्ट देते हैं। यह खोज फॉल्ट-टोलरेंट क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह सुझाव देती है कि लो-बैकग्राउंड वातावरण में क्वबिट्स का स्थानिक पृथक्करण (spatial separation) आयोनाइजिंग रेडिएशन से प्रेरित सह-संबंधित त्रुटियों को प्रभावी ढंग से कम कर सकता है। इसके अतिरिक्त, परिणाम मौलिक भौतिकी के लिए कण डिटेक्टरों के रूप में सुपरकंडक्टिंग क्वबिट्स की समझ में योगदान देते हैं, जो विशिष्ट रेडिएशन-प्रेरित त्रुटि तंत्रों के लक्षण वर्णन की आवश्यकता को रेखांकित करते हैं। लेखक नोट करते हैं कि शील्डेड कॉन्फ़िगरेशन में देखे गए "एक्सेस" (excess) चार्ज बर्स्ट का मूल अभी भी एक खुला प्रश्न है, जिसके संभावित उम्मीदवार ट्रैप्ड चार्ज रिलैक्सेशन, क्रायोस्टेट सामग्रियों के साथ कॉस्मोोजेनिक इंटरैक्शन से उत्पन्न द्वितीयक कण, या असामान्य स्थानीय रेडिएशन स्रोत हो सकते हैं।

मुख्य विचार: एक क्वांटम कंप्यूटर के "स्टैटिक" (शोर) को सुनना

प्रयोग: गहराई में जाना

उन्हें क्या पता चला

निष्कर्ष

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