Real-time detection of correlated quasiparticle tunneling events in a multi-qubit superconducting device

Sintesi Tecnica: Rilevamento in tempo reale di eventi di tunneling di quasi-particelle correlati in un dispositivo superconduttore multi-qubit

Definizione del Problema
Il tunneling di quasi-particelle (QP) attraverso le giunzioni Josephson è una fonte significativa di decoerenza ed errori correlati nei circuiti quantistici superconduttori. Sebbene i recenti miglioramenti dei materiali abbiano potenziato la coerenza dei qubit, la scalabilità dei processori quantistici ha accentuato la necessità di comprendere e mitigare gli errori indotti dalle QP, in particolare i "burst" (esplosioni) di QP che creano errori temporali e spaziali correlati. Tali correlazioni violano le assunzioni dei codici di correzione degli errori quantistici come il codice di superficie. Questi burst sono spesso attribuiti a radiazioni ionizzanti (raggi cosmici, materiali radioattivi) o al rilascio di stress fononico, che possono simultaneamente degradare i tempi di rilassamento in più qubit. Esiste una lacuna critica nella capacità di rilevare tali eventi in tempo reale su singoli dispositivi per distinguere tra il tunneling di fondo non correlato ed eventi di burst correlati, e per identificare le loro origini fisiche (ad esempio, eventi ionizzanti rispetto a eventi puramente fononici).

Metodologia
Gli autori hanno sviluppato uno schema di rilevamento in tempo reale utilizzando due qubit transmon con moderata sensibilità di carica (QPD1 e QPD2), co-alloggiati su un singolo chip di silicio e accoppiati a una guida d'onda coplanare comune.

• Architettura del Dispositivo: I due transmon, separati da 1,5 mm, condividono una geometria capacitiva ma presentano aree di giunzione differenti. Sono fabbricati con giunzioni Josephson di alluminio su un substrato di silicio con un piano di massa in alluminio. Il dispositivo è schermato in un involucro di rame sigillato con indio e dotato di filtri di drenaggio per la radiazione ad alta energia, al fine di sopprimere la radiazione esterna ad alta frequenza.
• Meccanismo di Rilevamento: Il sistema utilizza lo scattering a microonde coerente. Viene applicato un tono di drive continuo alle frequenze di transizione dei qubit, che dipendono dalla parità di carica ($P = \pm 1$). Quando una QP effettua il tunneling su o fuori da un'isola, la parità di carica si inverte, causando uno spostamento istantaneo della frequenza di transizione del qubit.
• Protocollo di Misura: Gli autori monitorano continuamente il campo trasmesso attraverso la guida d'onda. Demodulando digitalmente il segnale alle frequenze di transizione dipendenti dalla parità ($\omega^\pm_{01}$), risolvono transizioni brusche tra due livelli discreti di segnale corrispondenti agli stati di parità pari e dispari.
• Analisi dei Dati: Le tracce temporali sono state acquisite con una dimensione di bin di 100 $\mu$s. Gli autori hanno impiegato un protocollo di sogliatura per identificare gli eventi di commutazione e hanno utilizzato la stima della densità del kernel (KDE) per distinguere tra la commutazione di base e gli intervalli di "burst" (definiti come sequenze di salti con separazioni tra eventi $< 5$ ms). Hanno eseguito un'analisi di cross-correlazione sulle serie temporali del conteggio dei burst per determinare le correlazioni tra i dispositivi.

Contributi Chiave e Risultati

1. Rilevamento in Tempo Reale del Tunneling di QP: Lo studio dimostra con successo il rilevamento in tempo reale di singoli eventi di tunneling di QP con una risoluzione temporale di decine di microsecondi. I tassi di tunneling di fondo misurati sono a livello di singolo Hertz ($\Gamma^{(1)}_{slow} \approx 5,28$ s$^{-1}$ e $\Gamma^{(2)}_{slow} \approx 3,61$ s$^{-1}$).
2. Identificazione dei Regimi di Burst: Gli autori hanno identificato intermittenti "burst di QP" in cui il tasso di tunneling aumenta di circa tre ordini di grandezza (fino a $\sim 4000$ s$^{-1}$). Questi burst hanno una durata caratteristica di circa 7 ms.
3. Analisi di Correlazione:
   • Sfondo Non Correlato: Al di fuori degli intervalli di burst, gli eventi di commutazione sono ben descritti da processi Poissoniani indipendenti, senza una correlazione temporale misurabile tra i due dispositivi.
   • Burst Correlati: Una parte significativa dei burst (47% dei burst di QPD1 e 76% dei burst di QPD2) si verifica coincidentemente in entrambi i rilevatori. L'analisi di cross-correlazione ($R_{12}(\tau)$) mostra un picco pronunciato a ritardo zero, confermando la correlazione temporale tra i dispositivi.
   • Burst Non Correlati: Alcuni burst si verificano in un solo rilevatore, indicando che non tutti gli eventi di burst sono spazialmente correlati.
4. Eventi di Spostamento della Carica di Offset: Gli autori hanno identificato una rara sottoclasse di burst correlati (che si verificano a $\sim 0,43$ h$^{-1}$ per gli eventi coincidenti) accompagnata da uno spostamento discreto della carica di offset effettiva ($n_g$). Questo spostamento si manifesta come uno spostamento dei cluster di stato di parità nel piano IQ e un cambiamento nella scissione della parità. Tali eventi sono coerenti con eventi di radiazione ionizzante che perturbano l'ambiente elettrostatico locale.
5. Distinzione dei Meccanismi: I risultati suggeriscono che, sebbene alcuni burst siano accompagnati da spostamenti di carica (probabilmente eventi ionizzanti), molti burst correlati avvengono senza spostamenti di carica rilevabili. Ciò implica che i processi di rottura delle coppie mediati da fononi, che non alterano il panorama di carica, contribuiscono anche alla dinamica delle QP correlate.

Significatività e Rivendicazioni
Il lavoro stabilisce un metodo pratico ed estendibile per identificare i burst di quasi-particelle nei circuiti superconduttori, distinguendo tra le loro correlazioni e la loro struttura spaziale. Gli autori affermano che questo approccio fa avanzare la strada verso la soppressione degli errori correlati nei processori quantistici superconduttori, fornendo uno strumento diagnostico che va oltre le misurazioni transitorie della degradazione del tempo di coerenza. Risolvendo i singoli eventi di tunneling, il metodo offre un benchmark più sensibile per valutare le strategie di mitigazione, come l'ingegneria del gap e il trapping dei fononi. Il lavoro evidenzia che gli errori correlati possono derivare da molteplici meccanismi fisici (radiazione ionizzante e stress fononico), rendendo necessaria un'approccio multifasico alla mitigazione degli errori nei processori quantistici su larga scala. Gli autori osservano che, sebbene l'attuale configurazione fornisca una risoluzione spaziale tra due dispositivi, l'integrazione di più rilevatori potrebbe migliorare ulteriormente la mappatura spaziale di questi eventi.