Adaptive Spectroscopy of Fast Two-Level-System Dynamics in Superconducting Qubits

Immagina di cercare di ascoltare una singola, perfetta nota suonata da un violino in una sala da concerto. Ora, immagina che la sala sia piena di migliaia di piccoli fantasmi invisibili. Questi fantasmi non sono spaventosi; sono solo molto agitati. Ogni pochi secondi, uno di loro potrebbe saltare sulla corda del violino, cambiando leggermente l'intonazione della nota, o facendo sì che il suono svanisca più velocemente del dovuto. Nel mondo dell'informatica quantistica, questi "fantasmi" sono reali. Sono chiamati sistemi a due livelli (TLS) e sono minuscoli difetti nascosti nei materiali che compongono i computer quantistici.

I computer quantistici sono il prossimo grande salto tecnologico, con la promessa di risolvere problemi impossibili per gli odierni supercomputer. Usano i "qubit" (bit quantistici) per fare i loro calcoli. Ma i qubit sono incredibilmente fragili. Se un qubit perde la sua energia o si confonde a causa del rumore, il calcolo fallisce. Per anni, gli scienziati hanno saputo che questi difetti TLS sono la ragione principale per cui i qubit perdono la loro energia e commettono errori. Il problema è che questi difetti sono subdoli. Si muovono, cambiano frequenza, si accendono e si spengono. Finora, gli strumenti usati per studiarli erano come cercare di scattare una foto a un colibrì con una fotocamera che scatta un'immagine ogni ora. Quando la foto si sviluppava, l'uccello si era già spostato, aveva cambiato colore ed era volato via. Sapevamo che i fantasmi erano lì, ma non riuscivamo a coglierli sul fatto.

È qui che entra in gioco un nuovo team di ricercatori con un trucco astuto. Hanno costruito una "super-fotocamera" per questi fantasmi quantistici. Invece di aspettare ore per vedere cosa sta facendo un difetto, utilizzano un sistema intelligente e adattivo che aggiorna le sue ipotesi migliaia di volte al secondo. Con questo nuovo metodo, hanno scoperto che questi difetti sono molto più attivi di quanto pensassimo. Hanno scoperto che alcuni difetti cambiano comportamento in soli pochi secondi, e altri vagano come un ubriaco che torna a casa, muovendosi molto più velocemente di quanto si fosse mai visto prima.

Ecco la storia della loro scoperta, raccontata con il linguaggio di un adolescente curioso.

I Fantasmi nella Macchina

Pensa a un qubit superconduttore come a una stazione radio molto sensibile. Trasmette a una frequenza specifica, come 5,1 gigahertz. Per fare il suo lavoro, deve rimanere sintonizzata esattamente su quella frequenza. Ma all'interno della radio, ci sono minuscoli "difetti" invisibili (i TLS) che si nascondono nell'isolamento e nel metallo. A volte, un difetto decide di sintonizzarsi sulla stessa frequenza della radio. Quando ciò accade, la radio si distrae. Perde la sua energia a causa del difetto e il segnale svanisce. Questo è chiamato "rilassamento", ed è il nemico dell'informatica quantistica.

Per molto tempo, gli scienziati hanno pensato che questi difetti fossero per lo più stazionari. Credevano che se avessi osservato un difetto, esso sarebbe rimasto fermo per ore, o forse sarebbe migrato lentamente come una nuvola nel cielo. Se volevi mappare dove si trovavano questi difetti e come si muovevano, dovevi passare ore a scansionare le frequenze radio. Era come cercare di mappare una città camminandoci attraverso una volta al giorno; avresti perso tutti gli ingorghi e le persone che corrono.

La Svolta della "Fotocamera Intelligente"

I ricercatori di questo articolo, lavorando con dispositivi costruiti al MIT e all'Università del Wisconsin, hanno deciso di costruire un modo migliore per osservare i fantasmi. Hanno utilizzato un tipo speciale di qubit che può cambiare la propria frequenza al volo, come una radio che può sintonizzarsi istantaneamente su qualsiasi stazione. Hanno anche utilizzato un chip per computer superveloce chiamato FPGA (Field-Programmable Gate Array) per agire come il cervello dell'operazione.

Invece di limitarsi a fissare un punto per molto tempo, il loro sistema è "adattivo". Immagina di giocare a "Caldo o Freddo" per trovare un oggetto nascosto. Un giocatore normale potrebbe controllare un punto, aspettare un minuto, poi controllarne un altro. Questo nuovo sistema è come un giocatore geniale che, dopo ogni singolo tentativo, calcola istantaneamente dove l'oggetto è più probabile che sia il prossimo e salta immediatamente lì.

Hanno usato questo metodo per scansionare l'intervallo di frequenza del qubit. Ogni volta che controllavano una frequenza, il sistema misurava quanto velocemente il qubit stava perdendo energia. Se la perdita di energia aumentava bruscamente, significava che un difetto era presente. Poiché il sistema era così veloce, poteva scattare una "istantanea" dell'intero intervallo di frequenza in meno di un secondo. Ripetendo questo processo ancora e ancora, hanno creato un film dei difetti in azione.

La Sorpresa: I Fantasmi sono Iperattivi

Quando hanno guardato il film, i risultati sono stati scioccanti. Hanno scoperto due tipi principali di comportamento "fantasmatico" che stavano accadendo molto più velocemente di quanto previsto.

1. Lo Switch a Telerilevamento (Telegraph Switch):
Alcuni difetti si comportavano come un interruttore della luce che viene acceso e spento da una mano nervosa. Il difetto rimaneva a una frequenza, causando la perdita di energia del qubit, e poi improvvisamente — poof! — saltava a una frequenza diversa. I ricercatori hanno misurato che questi salti avvenivano con un tempo caratteristico di circa 2,2 secondi.

Pensa a un faro che improvvisamente punta in una direzione diversa. In passato, gli scienziati pensavano che questi cambi avvenissero in ore. Scoprire che avvengono in pochi secondi significa che l'ambiente del computer quantistico è molto più caotico di quanto pensassimo. È come rendersi conto che la stanza in cui sei seduto è in realtà piena di persone che saltano continuamente da una sedia all'altra, invece di stare semplicemente sedute ferme.

2. La Camminata Ubriaca (Diffusione Spettrale):
Altri difetti non si limitavano a saltare; vagavano. Erano trascinati lentamente attraverso lo spettro delle frequenze, come un ubriaco che barcolla per strada. I ricercatori hanno misurato la velocità del loro vagabondaggio e hanno trovato una "diffusività" (una misura di quanto velocemente vagano) di circa 0,9 MHz² s⁻¹.

Ed ecco il punto cruciale: questa velocità di deriva era circa 300 volte più veloce di quanto visto in esperimenti precedenti che duravano ore. Si è scoperto che le misurazioni lente, di ore, stavano in realtà "sfocando" l'immagine. Mediando tutto su un lungo periodo di tempo, gli scienziati avevano mancato il fatto che i difetti stavano in realtà sfrecciando intorno. È come guardare un'auto veloce attraverso una finestra appannata; se guardi per molto tempo, l'auto appare solo come una macchia sfocata. Ma se hai una fotocamera veloce, vedi che sta correndo.

Perché questo è importante per il tuo futuro computer

Potresti chiederti: "E allora? È solo qualche secondo più veloce". Ma nel mondo dell'informatica quantistica, il tempo è tutto.

I ricercatori hanno anche controllato se questi fantasmi a movimento rapido causassero effettivamente errori nella logica del computer. Hanno eseguito un test chiamato "randomized benchmarking", che è come un test di resistenza per il cervello del computer. Hanno trovato una forte connessione: quando un difetto era attivo e causava una rapida perdita di energia del qubit, il computer commetteva più errori nei suoi calcoli. La correlazione era forte, con un valore di 0,618, il che significa che i fantasmi stavano decisamente disturbando il lavoro.

Questo cambia le regole del gioco per il modo in cui costruiamo e ripariamo i computer quantistici. Per molto tempo, il piano è stato quello di calibrare (mettere in sesto) questi computer ogni poche ore. Ma se i difetti saltano in giro ogni pochi secondi, calibrare ogni poche ore è come cercare di riparare il motore di un'auto mentre l'auto viaggia a 100 miglia orarie. Si rischia di mancare il problema.

L'articolo suggerisce che abbiamo bisogno di un nuovo modo di pensare. Invece di controllare il computer una volta al giorno, potremmo aver bisogno di controllarlo costantemente, in tempo reale. I ricercatori hanno dimostrato che la loro "fotocamera intelligente" veloce potrebbe essere usata per individuare questi problemi mentre accadono. Se il sistema vede un difetto che causa troppi problemi, potrebbe interrompere il calcolo o regolare la frequenza per evitare completamente il fantasma.

In sintesi

Questo articolo non ha solo trovato un nuovo tipo di difetto; ha scoperto che i difetti che già conoscevamo sono molto più energetici e imprevedibili di quanto avessimo mai immaginato. Non sono fantasmi stazionari; sono ballerini iperattivi.

I ricercatori hanno dimostato che, utilizzando misurazioni rapide e adattive, possiamo vedere queste danze in tempo reale. Hanno escluso l'idea che questi movimenti rapidi siano solo un caso fortuito o un errore dell'attrezzatura; hanno visto lo stesso comportamento in due dispositivi diversi costruiti in due laboratori differenti. Non hanno ancora risolto il problema dei difetti — non sappiamo ancora esattamente di cosa siano fatti o come eliminarli completamente. Ma hanno fornito la prima mappa chiara e ad alta velocità di dove si trovano e come si muovono.

È un po' come scoprire che la "grana" su una vecchia TV non è solo rumore casuale, ma un insieme di creature minuscole e velocissime. Ora che sappiamo che sono lì e sappiamo quanto velocemente si muovono, possiamo finalmente iniziare a costruire scudi migliori per impedire loro di rovinare il nostro spettacolo. Per il futuro dell'informatica quantistica, questo è un grande passo avanti: non possiamo più ignorare i fantasmi, ma ora, finalmente, abbiamo gli strumenti per catturarli.