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

L'essenziale

Il quadro generale: Ascoltare lo "statico" di un computer quantistico

Immaginate di avere uno strumento musicale molto delicato e tecnologicamente avanzato (un qubit superconduttore) che dovrebbe suonare una nota perfetta e costante. Questo strumento è così sensibile che se un singolo granello di polvere vi si posa sopra, o se una minuscola brezza lo colpisce, la nota cambia istantaneamente tono.

Gli scienziati vogliono costruire un "computer quantistico" usando molti di questi strumenti che suonano insieme. Ma hanno un problema: il rumore. Nello specifico, particelle invisibili provenienti dallo spazio (raggi cosmici) e radiazioni naturali di fondo (raggi gamma) colpiscono costantemente lo strumento, causandone un "salto" o un malfunzionamento. Questi guasti sono chiamati salti di carica (charge jumps).

Questo articolo parla di un team di scienziati che ha portato il proprio delicato strumento in profondità sottoterra per vedere se riuscivano ad attenuare il rumore abbastanza da poter ascoltare la musica chiaramente.

L'esperimento: Andare in profondità sottoterra

1. La posizione (Il bunker profondo)
Gli scienziati hanno spostato il loro esperimento da un laboratorio in superficie a una struttura chiamata NEXUS, situata a 107 metri (circa 35 piani) sottoterra, all'interno di un tunnel di roccia al Fermilab.

• L'analogia: Pensate alla superficie terrestre come a un'autostrada trafficata dove le auto (i raggi cosmici) sfrecciano costantemente. La struttura sotterranea è come un bunker profondo. La spessa roccia sovrastante agisce come uno scudo massiccio, bloccando oltre il 99% delle "auto" che cercano di entrare.

2. Lo scudo (La coperta di piombo) [Nota: Nel testo originale è indicato "Lead Blanket", tradotto come coperta di piombo]
Anche sottoterra, parte della radiazione riesce a passare. Per testare ulteriormente questo aspetto, il team ha costruito una "coperta" mobile fatta di piombo spesso attorno al loro esperimento.

• L'analogia: Immaginate di indossare un pesante impermeabile foderato di piombo. Quando il cappotto è indossato (Scudo Chiuso), siete protetti dalla pioggia (raggi gamma). Quando lo togliete (Scudo Aperto), vi bagnate. Gli scienziati volevano vedere quanta "pioggia" stesse effettivamente colpendo il loro strumento in entrambi gli scenari.

3. La misurazione (I salti di carica)
I qubit in questo esperimento sono progettati per essere "elettrometri": sono come piccole bilance in grado di pesare la carica elettrica. Quando una particella colpisce il chip, crea un minuscolo impulso di elettricità, causando il "salto" della scala.

• L'analogia: Immaginate un trampolino elastico. Se qualcuno ci salta sopra, rimbalza. Se una piccola mosca vi si posa, si muove appena. Gli scienziati stavano osservando i "rimbalzi" (salti di carica) sul loro trampolino quantistico. Cercavano specificamente i salti correlati (correlated jumps): momenti in cui due diversi trampolini saltavano esattamente nello stesso momento. Questo è un problema per i computer quantistici perché significa che un singolo raggio cosmico ha colpito entrambi, causando un doppio errore.

Cosa hanno scoperto

1. La "pioggia" è diventata più leggera, ma non quanto previsto
Quando hanno chiuso lo scudo di piombo, il numero di salti di carica è diminuito.

• Il risultato: I salti sono diminuiti di un fattore di circa 2,7.
• La sorpresa: Gli scienziati hanno misurato la radiazione che colpiva lo scudo e hanno scoperto che la "pioggia" (raggi gamma) era in realtà diminuita di un fattore di 20.
• La metafora: È come mettere un impermeabile che blocca il 95% della pioggia, ma voi sentite solo il 30% di meno umidità. Questo ha comunicato agli scienziati che, sebbene lo scudo avesse bloccato la pioggia esterna, c'era ancora una "perdita" da qualche altra parte. Esiste una fonte di rumore eccedente che proviene dall'interno della macchina stessa (forse dai materiali all'interno del frigorifero o da cariche intrappolate nel chip) che lo scudo di piombo non è riuscito a fermare.

2. La zona "silenziosa" (Nessun salto correlato)
La scoperta più entusiasmante è avvenuta quando hanno osservato la distanza tra i qubit.

• La configurazione: Avevano quattro qubit. Due erano molto vicini tra loro (come vicini di casa), e due erano lontani (come vicini che vivono ai lati opposti di una strada).
• Il risultato: Quando lo scudo era chiuso, gli scienziati hanno eseguito l'esperimento per 22 ore consecutive. Durante tutto quel tempo, i due qubit che erano lontani (più di 3 millimetri) non hanno mai saltato contemporaneamente.
• La metafora: Immaginate due persone distanti 3 metri l'una dall'altra. Se un enorme masso cade dal cielo, potrebbe colpire entrambe. Ma in questo esperimento, per un intero giorno, nessun singolo "masso" è stato abbastanza grande da colpire entrambi i qubit distanti contemporaneamente. Hanno ottenuto una "zona silenziosa" in cui gli errori non si propagavano tra le parti distanti del computer.

La conclusione

L'articolo sostiene tre cose principali:

1. Andare sottoterra aiuta: Spostare l'esperimento sottoterra ha ridotto significamente gli errori causati dai raggi cosmici.
2. C'è un mistero: Anche profondamente sottoterra con uno scudo di piombo, c'è ancora più rumore del previsto. Non proviene solo dall'esterno; qualcosa all'interno dell'attrezzatura sta ancora causando "statico".
3. La distanza è importante: Per la prima volta, hanno dimostuto che se si distanziano i bit quantistici a sufficienza (più di 3 mm) e si schermano bene, si può interrompere il ciclo degli "errori correlati" (dove un errore causa una reazione a catena di altri errori) per lunghi periodi di tempo.

Cosa NON hanno affermato:
L'articolo non dice di aver costruito un computer quantistico funzionante capace di risolvere problemi. Non afferma che questo risolva tutti gli errori per sempre. Si limita a riferire la misurazione dello "statico" e a dimostrare che, sottoterra e con la schermatura, lo "statico" può essere ridotto a un livello tale per cui i qubit distanti non interferiscono tra loro.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Prima misurazione del rumore di carica correlato in qubit superconduttori in un impianto sotterraneo

Problematica
Le radiazioni ionizzanti sono sempre più riconosciute come una fonte significativa di decoerenza ed errori correlati nei qubit superconduttori. Studi precedenti hanno stabilito una correlazione tra il flusso di radiazioni ionizzanti (specificamente raggi cosmici e gamma ambientali) e i tassi di rilassamento dell'energia dei qubit ($1/T_1$), nonché gli errori simultanei multi-qubit. Questi errori correlati pongono una sfida all'efficacia dei codici di superficie per la correzione degli errori quantistici. Mentre i laboratori a livello del suolo sono soggetti ad alti flussi di muoni cosmici e radiazione gamma ambientale, il contributo specifico di queste fonti al rumore di carica nel substrato del qubit, e la capacità di mitigarli, richiede l'isolamento dai background di superficie. Inoltre, i meccanismi attraverso i quali gli eventi ionizzanti inducono salti di carica nel substrato (tramite la produzione di coppie elettrone-lacuna, diffusione dei fononi e intrappolamento di carica) operano su scale temporali che vanno dai nanosecondi ai giorni, rendendo necessaria una sorveglianza a lungo termine per caratterizzare completamente l'ambiente di rumore.

Metodologia
Gli autori hanno condotto misurazioni su un dispositivo transmon a quattro qubit debolmente sensibile alla carica (con $E_J/E_C = 24$), trasferito da un laboratorio di superficie a Madison, WI, al sito sperimentale sotterraneo NEXUS (Northwestern EXperimental Underground Site) presso Fermilab, situato 107 metri sottoterra. Questa profondità fornisce un sovraccarico di roccia equivalente a 225 metri d'acqua, riducendo il flusso di muoni cosmici di oltre il 99% rispetto al livello del mare.

L'allestimento sperimentale comprendeva:

• Schermatura: Uno schermo modulare in piombo con copertura $4\pi$ attorno al carico criogenico per attenuare la radiazione gamma ambientale.
• Criogenia: Il dispositivo è operato in un refrigeratore a diluizione a una temperatura di base di 10,5 mK all'interno di un ambiente cleanroom per minimizzare la contaminazione da particolato.
• Monitoraggio delle Radiazioni: Un cristallo di $Li_2MoO_4$ (LMO) strumentato con un sensore a transizione di bordo (TES) è stato posizionato a 18,7 cm dal chip del qubit all'interno dello stesso criostato per misurare indipendentemente il flusso e lo spettro gamma.
• Protocollo di Misura: Il team ha impiegato sequenze di tomografia Ramsey ($X/2 - \text{Idle} - X/2$) per mappare l'offset di carica ($n_g$) sulle isole dei qubit rispetto alla probabilità dello stato eccitato ($P_1$). Scansionando il bias di carica e analizzando l'evoluzione della fase, i ricercatori hanno rilevato salti discreti nella carica indotta.
• Analisi dei Dati: È stato utilizzato un algoritmo di minimizzazione $\chi^2$ rotante per adattare le scansioni tomografiche a un template derivato da scansioni prive di salti. Questo metodo ha identificato salti di carica con magnitudo $0,1e \le |\Delta q| \le 0,5e$. L'efficienza di questo metodo di rilevamento è stata validata tramite simulazione con un valore superiore al 70%.

Sono stati raccolti due dataset primari:

1. Scudo Aperto (SO - Shield Open): Condizioni di flusso gamma ambientale.
2. Scudo Chiuso (SC - Shield Closed): Condizioni di flusso gamma minimo (schermo di piombo chiuso).

Risultati Chiave

• Tassi di salto di carica: Il tasso medio di salto di carica per i quattro qubit è stato misurato a $0,51^{+0,05}_{-0,04}$ mHz nella configurazione Shield Open e ridotto a $0,19^{+0,04}_{-0,03}$ mHz nella configurazione Shield Closed.
• Correlazione con il flusso Gamma: Il rivelatore LMO ha misurato un fattore di riduzione del flusso gamma di $20 \pm 1$ (per energie $>150$ keV) quando lo scudo era chiuso. Tuttavia, il tasso di salto di carica è diminuito solo di un fattore 2,7. Questa discrepanza indica che, nella configurazione SC a basso background, il tasso di salto di carica non è dominato dal flusso gamma esterno.
• Tasso in eccesso: Sottraendo il tasso SC dal tasso SO (tenendo conto di un background costante in eccesso), gli autori hanno calcolato un tasso di salto indotto da gamma di $0,34^{+0,07}_{-0,06}$ mHz e un tasso in eccesso di $0,17^{+0,04}_{-0,03}$ mHz presente in entrambe le configurazioni. Questo eccesso è incoerente con i tassi di muoni attesi ($\sim 0,08$ mHz/cm$^2$) e con il solo flusso gamma ambientale.
• Rumore Correlato: Lo studio ha misurato salti di carica correlati tra coppie di qubit. Per qubit separati da meno di 1 mm (340 $\mu$m e 640 $\mu$m), sono stati osservati salti correlati. Tuttavia, per coppie di qubit separate da distanze superiori a 3 mm (specificamente da 3,18 mm a 3,33 mm), il team ha osservato zero salti di carica correlati durante 22 ore consecutive di operazione continua nella configurazione Shield Closed.
• Magnitudo dei salti: I salti di carica rilevati variavano da $0,1e$ a $0,5e$.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento sostiene di presentare la prima misurazione del rumore di carica correlato in un chip di qubit sensibili alla carica operato in un ambiente sotterraneo. La principale significatività risiede nella dimostrazione che il trasferimento in una struttura sotterranea riduce significativamente il tasso di eventi di burst di carica, sebbene non in modo così drastico come suggerirebbe la sola riduzione del flusso di muoni, indicando la presenza di altre fonti di radiazione o meccanismi interni.

Fondamentalmente, gli autori riportano la prima eliminazione del rumore di carica correlato in qubit sensibili alla carica separati da distanze superiori a 3 mm su scale temporali prossime a un giorno. Questa scoperta è significativa per il calcolo quantistico fault-tolerant, poiché suggerisce che la separazione spaziale dei qubit può mitigare efficacemente gli errori correlati indotti dalle radiazioni ionizzanti in ambienti a basso background. Inoltre, i risultati contribuiscono alla comprensione dei qubit superconduttori come rilevatori di particelle per la fisica fondamentale, evidenziando la necessità di caratterizzare e mitigare specifici meccanismi di errore indotti dalle radiazioni. Gli autori osservano che l'origine degli "eccessi" di burst di carica osservati nella configurazione schermata rimane una questione aperta, con potenziali candidati tra cui il rilassamento della carica intrappolata, secondari derivanti da interazioni cosmogeniche con i materiali del criostato o sorgenti di radiazione locale anomale.