Characterization of drive-induced unwanted state transitions in superconducting circuits

Nella ricerca di costruzione di un computer quantistico, gli scienziati stanno correndo per padroneggiare il comportamento della materia alle sue scale più piccole. Uno degli strumenti più promettenti per questo compito è il circuito superconduttore, un minuscolo anello elettronico realizzato con materiali che conducono elettricità senza alcuna resistenza quando raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto. Questi circuiti agiscono come atomi artificiali, capaci di contenere informazioni in uno stato di sovrapposizione quantistica, dove possono esistere in più configurazioni simultaneamente. Per rendere questi circuiti utili, i ricercatori devono essere in grado di controllarli con estrema precisione, usando impulsi di microonde per invertire i loro stati, eseguire calcoli e leggere i risultati. Tuttavia, man mano che queste macchine diventano più complesse, emerge un problema persistente: proprio i segnali utilizzati per controllare i circuiti possono talvolta causare malfunzionamenti, facendoli saltare in stati indesiderati e perdendo l'informazione che dovrebbero conservare. Questo problema è un importante collo di bottiglia, che limita la velocità e l'accuratezza con cui queste macchine quantistiche possono operare.

Un team di ricercatori dell'Università di Yale ha ora mappato esattamente come e perché questi malfunzionamenti avvengono. Sottoponendo un tipo specifico di circuito superconduttore, noto come transmon, a una vasta gamma di frequenze e livelli di potenza delle microonde, hanno scoperto che le transizioni di stato indesiderate non sono causate da un singolo errore, ma da tre distinti meccanismi fisici. Il primo meccanismo prevede che la guida a microonde sintonizzi accidentalmente il circuito in risonanza con difetti parassiti invisibili nei materiali circostanti. Il secondo è una proprietà intrinseca del circuito stesso, in cui la guida forza il sistema ad assorbire più fotoni contemporaneamente, spingendolo verso stati ad alta energia che non era mai destinato a raggiungere. Il terzo meccanismo è una forma di scattering, in cui la guida causa il cambiamento di stato del circuito scaricando l'energia in eccesso in onde elettromagnetiche vaganti intrappolate all'interno dell'alloggiamento del dispositivo.

I ricercatori hanno affrontato questo problema come cartografi che tracciano un paesaggio pericoloso. Hanno allestito un esperimento in cui hanno preparato il loro circuito in uno stato noto e poi lo hanno bombardato con un impulso di "pompa" di microonde che variava sia in frequenza che in potenza. Hanno poi misurato dove il circuito fosse finito. Scansionando la frequenza di guida attraverso un intervallo massicciamente ampio, da circa 2,8 gigahertz a 11,8 gigahertz, e regolando la potenza, hanno generato una mappa dettagliata di ogni possibile modo in cui il circuito potrebbe essere deviato dalla rotta. Questa mappa ha rivelato un terreno complesso di risonanze, che apparivano come linee luminose e chiazze sfocate dove la probabilità di un errore aumentava bruscamente. L'obiettivo del team era quello di classificare queste caratteristiche nelle loro tre categorie, comprendendo la causa radice di ciascuna affinché i futuri design potessero evitarle.

La prima categoria di problemi, che i ricercatori hanno identificato come scambio di energia risonante, si comporta diversamente dagli altri. Queste transizioni non dipendono dalla specifica frequenza delle microonde, bensì da quanto la guida sposta i livelli di energia del circuito. Quando viene applicato un segnale di microonde forte, questo spinge la frequenza naturale del circuito verso l'alto o verso il basso, un fenomeno noto come spostamento ac-Stark. Se questo spostamento sposta la frequenza del circuito per farla corrispondere a quella di un piccolo e nascosto difetto nel materiale — spesso chiamato sistema a due livelli — il circuito può improvvisamente scaricare la sua energia in quel difetto. I ricercatori hanno osservato questo fenomeno monitorando come il circuito decadesse nel tempo. Hanno scoperto che questi difetti non sono statici; essi oscillano e passano tra diverse frequenze nell'arco di minuti o ore, creando un bersaglio mobile difficile da prevedere. Questo meccanismo è una causa primaria di perdita di energia, limitando la durata della sopravvivenza dell'informazione quantistica.

La seconda categoria consiste in transizioni che sono incorporate nel design stesso del circuito. Anche se il dispositivo fosse perfettamente isolato dal mondo esterno, la guida a microonde potrebbe comunque forzare il circuito ad assorbire due o più fotoni contemporaneamente. Poiché il circuito è non lineare, ovvero la sua risposta cambia a seconda del suo stato, esso può saltare direttamente dal suo stato fondamentale a uno stato molto più alto e non computazionale, inghiottendo più fotoni della guida in un singolo evento. I ricercatori hanno utilizzato simulazioni informatiche avanzate basate sulle leggi della meccanica quantistica per prevedere esattamente dove avverrebbero questi salti. Le simulazioni hanno corrisposto ai dati sperimentali in modo sorprendente, confermando che queste transizioni sono una caratteristica intrinseca della fisica del circuito. I ricercatori hanno notato che questi salti diventano "sfocati" o dispersi perché la carica elettrica interna del circuito oscilla leggermente nel tempo, rendendo ambigue le condizioni esatte necessarie per il salto.

La terza categoria coinvolge l'interazione del circuito con l'ambiente elettromagnetico creato dal dispositivo fisico. Quando la guida a microonde colpisce il circuito, può subire uno scattering, cambiando lo stato del circuito e contemporaneamente eccitando un'onda elettromagnetica vagante intrappolata nella struttura metallica o nel pacchetto che circonda il chip. Queste onde vaganti agiscono come risonatori nascosti e, se la loro frequenza corrisponde alla differenza di energia creata dall'evento di scattering, la transizione diventa altamente probabile. I ricercatori hanno scoperto che questi modi vaganti possono esistere a frequenze molto più alte della frequenza operativa del circuito stesso, raggiungendo anche i 28 gigahertz. Eseguendo simulazioni elettromagnetiche dell'intero pacchetto del dispositivo, sono stati in grado di identificare le forme e le posizioni specifiche di questi modi vaganti, dimostrando che la disposizione fisica del dispositivo gioca un ruolo critico nella creazione di questi errori.

Per distinguere tra queste tre cause, il team ha sviluppato un metodo sistematico di eliminazione. Se una transizione appariva indipendentemente dalla frequenza di guida e dipendeva solo dallo spostamento indotto dalla potenza, veniva attribuita ai difetti dei materiali. Se la transizione appariva nelle simulazioni al computer del circuito isolato, veniva classificata come un evento multifotone intrinseco. Qualsiasi transizione rimanente che non potesse essere spiegata dal solo circuito veniva identificata come un evento di scattering anelastico che coinvolgeva l'ambiente esterno. Questa classificazione ha permesso loro di individuare l'origine di quasi ogni errore osservato nell'esperimento. Hanno scoperto che, mentre alcune transizioni erano causate dal comportamento imprevedibile dei difetti dei materiali, la maggior parte dei complessi pattern osservati poteva essere predetta simulando l'interazione del circuito con il suo ambiente elettromagnetico circostante.

Le implicazioni di questo lavoro si estendono oltre un singolo esperimento. I ricercatori hanno dimostrato che, comprendendo i meccanismi specifici alla base di questi errori, gli ingegneri possono compiere scelte informate per evitarli. Ad esempio, hanno mostrato che certe frequenze di guida sono molto più sicure di altre, offrendo "finestre" in cui il circuito può essere controllato senza innescare queste transizioni indesiderate. Hanno anche sottolineato che la progettazione del pacchetto del dispositivo è importante quanto la progettazione del circuito stesso, poiché l'alloggiamento metallico può ospitare modi risonanti che sabotano l'operazione. Mentre i difetti microscopici nei materiali rimangono una sfida che richiede migliori tecniche di fabbricazione, l'ambiente elettromagnetico può essere ingegnerizzato e simulato per minimizzarne l'impatto.

Questo studio fornisce un quadro completo per la diagnosi e la mitigazione degli errori che affliggono i circuiti quantistici superconduttori. Separando le cause di fallimento in categorie distinte e comprensibili, i ricercatori hanno offerto una chiara via da seguire per migliorare la fedeltà delle operazioni quantistiche. Il loro lavoro suggerisce che la chiave per costruire computer quantistici più affidabili non risiede solo nel creare circuiti migliori, ma nel comprendere la complessa danza tra il circuito, i materiali da cui è costruito e le onde elettromagnetiche che lo circondano. Attraverso una progettazione attenta e la selezione strategica delle frequenze di controllo, è possibile navigare evitando questi ostacoli, aprendo la strada a un'elaborazione dell'informazione quantistica più robusta e potente.