Quasiparticle-induced decoherence of a driven superconducting qubit

Nella ricerca di un computer capace di risolvere problemi oltre la portata delle macchine odierne, gli scienziati si stanno rivolgendo al mondo strano della meccanica quantistica. Al cuore di questo sforzo ci sono i qubit superconduttori, minuscoli circuiti elettrici che fungono da unità fondamentali dell'informazione. Per funzionare, questi circuiti devono essere mantenuti a temperature più fredde dello spazio profondo, vicine allo zero assoluto. In queste condizioni gelide, l'elettricità scorre senza alcuna resistenza e il circuito si comporta come un singolo oggetto quantistico unificato. Tuttavia, anche a queste temperature estreme, il materiale non è perfettamente puro. Piccoli frammenti infranti dello stato superconduttore, noti come quasiparticelle, possono ancora esistere. Questi frammenti agiscono come elettroni vagabondi che possono intrufolarsi nel circuito e disturbare il suo delicato stato quantistico, causando errori. Per anni, gli ingegneri hanno cercato di risolvere questo problema progettando circuiti con una specifica barriera energetica che renda difficile il passaggio di queste particelle vagabonde, schermando efficacemente il qubit dalla loro interferenza.

Nonostante questi astuti trucchi ingegneristici, un nuovo studio rivela che lo strumento stesso utilizzato per controllare il qubit — il segnale a microonde che gli dice cosa fare — può involontariamente risvegliare questi problemi latenti. I ricercatori, lavorando con circuiti superconduttori presso Google Quantum AI e università degli Stati Uniti, hanno scoperto che quando un qubit viene pilotato da un segnale a microonde per eseguire un calcolo o una misurazione, l'energia di quel segnale può aiutare le quasiparticelle a superare le barriere che dovevano fermarle. È come se il segnale a microonde fornisse una spinta di energia che permette a una particella bloccata di saltare una recinzione che non sarebbe in grado di attraversare da sola. Ciò accade in due modi distinti. Nel primo, una particella vagante esistente assorbe un pacchetto di energia dal segnale a microonde e un pacchetto di energia dal qubit stesso, permettendole di attraversare il circuito per effetto tunnel e invertire lo stato del qubit. Nel secondo, il segnale a microonde è così intenso che molteplici pacchetti della sua energia si combinano per rompere una coppia di elettroni precedentemente legati, creando due nuove particelle vaganti e causando il salto del qubit verso uno stato non intenzionale.

Il team ha sviluppato una teoria dettagliata per spiegare come avvengano questi processi, concentrandosi su un tipo specifico di circuito chiamato transmon, ampiamente utilizzato nella computazione quantistica. Hanno scoperto che la velocità con cui si verificano questi errori dipende direttamente dalla forza e dalla frequenza del segola a microonde utilizzato. Se il segnale è abbastanza forte, può annullare completamente i benefici ottenuti dal design della barriera energetica, facendo perdere l'informazione al qubit molto più velocemente del previsto. Questa è una scoperta critica perché stabilisce un limite fondamentale alla precisione con cui questi computer possono operare. I ricercatori hanno dimostrato che, per i metodi di lettura più avanzati attualmente in uso, la presenza di queste particelle può introdurre tassi di errore significativi per i calcoli ad alta precisione. Ancora più sorprendente, hanno scoperto che mentre un tipo di errore potrebbe essere bloccato a certe impostazioni, un altro tipo che coinvolge l'assorbimento di molteplici pacchetti di microonde può comunque verificarsi, il che significa che il problema non è facilmente risolvibile semplicemente abbassando l'intensità del segnale.

Lo studio ha anche esaminato come questi errori cambino quando il circuito viene sintonizzato tramite un campo magnetico. Hanno scoperto che, in determinate impostazioni, gli errori causati da singoli pacchetti di microonde si annullano a vicenda grazie a un sottile effetto di interferenza, ma questa protezione scompare quando il circuito viene sintonizzato su altre impostazioni. In quei casi, gli errori causati dall'assorbimento di due pacchetti di microonde diventano la fonte principale di problemi. Questo processo a due fotoni è particolarmente complicato perché può verificarsi anche quando il processo a singolo pacchetto è bloccato, e diventa più probabile all'aumentare della frequenza delle microonde. I ricercatori hanno calcolato che, per una configurazione tipica, la probabilità che questi errori si verifichino è direttamente collegata al numero di particelle vaganti nel dispositivo. Se il numero di queste particelle aumenta, forse a causa di radiazioni che colpiscono il dispositivo, il tasso di errore cresce proporzionalmente, riducendo potenzialmente l'accuratezza dell'output del computer in modo apprezzabile.

Questo lavoro suggerisce che la strada verso un computing quantistico affidabile è più complessa della semplice costruzione di barriere migliori. I ricercatori sottolineano che, sebbene schermare il qubit dalle particelle vaganti sia essenziale, il metodo utilizzato per controllare il qubit deve anche essere progettato con cura per evitare di fornire alle particelle l'energia necessaria a creare problemi. Propongono che i futuri design potrebbero necessitare di giunzioni con barriere energetiche più elevate o includere trappole speciali per catturare queste particelle prima che raggiungano le parti sensibili del circuito. Le scoperte evidenziano anche un compromesso nei metodi di lettura ad alta frequenza: sebbene l'uso di frequenze più alte possa migliorare la velocità e la chiarezza della misurazione, spingere troppo la frequenza rischia di rompere le coppie di elettroni e creare nuovi errori. Lo studio non sostiene di aver risolto il problema dell'interferenza delle quasiparticelle, ma fornisce una mappa chiara di dove risiedano i pericoli durante il funzionamento di un computer quantistico. Comprendendo esattamente come la guida a microonde interagisce con queste particelle vaganti, gli ingegneri possono ora lavorare per progettare sistemi che evitino questi specifici trabocchetti, portando il sogno di un computer quantistico stabile e su larga scala un passo più vicino alla realtà.