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

技術要約：マルチ量子ビット超伝導デバイスにおける相関した準粒子トンネル現象のリアルタイム検出

問題提起
ジョセフソン接合における準粒子（QP）のトンネリングは、超伝導量子回路におけるデコヒーレンスおよび相関エラーの重要な要因である。近年の材料改善により量子ビットのコヒーレンスは向上しているが、量子プロセッサのスケールアップに伴い、QPに起因するエラー、特に時間的・空間的に相関したエラーを生み出す「バースト」を理解し、軽減する必要性が高まっている。このようなバーストは、複数の量子ビットの緩和時間を同時に低下させる、電離放射線（宇宙線、放射性物質）やフォノン応力解放に起因することが多い。個々のデバイス上でこれらのイベントをリアルタイムで検出し、無相関な背景トンネル現象と相関したバーストイベントを区別し、さらにその物理的な起源（例：電離現象かフォノンのみの現象か）を特定する能力には、依然として重大なギャップが存在する。

手法
著者らは、単一のシリコンチップ上に共存し、共通のコプレーナ導波路に結合された、中程度の電荷感度を持つ2つのトランスモン量子ビット（QPD1およびQPD2）を用いたリアルタイム検出スキームを開発した。

• デバイス・アーキテクチャ: 1.5 mm離れた2つのトランスモンは、共通のキャパシタ形状を持つが、接合面積は異なる。これらは、アルミニウム接地平面を持つシリコン基板上にアルミニウム・ジョセフソン接合を用いて作製されている。デバイスは、外部の高周波放射を抑制するための高エネルギー放射ドレインフィルタを備えた、インジウム封止された銅製エンクロージャ内にシールドされている。
• 検出メカニズム: システムはコヒーレントなマイクロ波散乱を利用する。量子ビットの遷移周波数に対して連続的なドライブトーンが印加されるが、この周波数は超伝導アイランドの電荷パリティ（$P = \pm 1$）に依存する。QPがアイランド上または外へトンネルすると、電荷パリティが反転し、量子ビットの遷移周波数が瞬時的にシフトする。
• 測定プロトコル: 研究者らは、導波路を通じた透過電界を継続的にモニタリングしている。パリティ依存の遷移周波数（$\omega^\pm_{01}$）において信号をデジタル復調することで、偶数および奇数の電荷パリティ状態に対応する2つの離散的な信号レベル間の急激な遷移を解像する。
• データ解析: 時系列データは100 $\mu$sのビンサイズで取得された。著者らは、スイッチングイベントを特定するために閾値処理プロトコルを採用し、カーネル密度推定（KDE）を用いて、ベースラインのスイッチングと「バースト」間隔（イベント間の間隔が5 ms未満のシーケンスと定義）を区別した。また、バーストカウントの時系列に対して相互相関解析を行い、デバイス間の相関を決定した。

主な貢献と結果

1. QPトンネリングのリアルタイム検出: 本研究は、数十マイクロ秒の時間分解能で、個々のQPトンネリングイベントをリアルタイムで検出することに成功した。背景となるトンネル率は、単一ヘルツレベル（$\Gamma^{(1)}_{slow} \approx 5.28$ s$^{-1}$ および $\Gamma^{(2)}_{slow} \approx 3.61$ s$^{-1}$）で測定された。
2. バースト領域の特定: 著者らは、トンネル率が約3桁（最大 $\sim 4000$ s$^{-1}$）増加する断続的な「QPバースト」を特定した。これらのバーストは、約7 msの特性寿命を持つ。
3. 相関解析:
   • 無相関な背景: バースト間隔においては、スイッチングイベントは独立したポアソン過程としてよく記述され、2つのデバイス間に測定可能な時間的相関は見られなかった。
   • 相関したバースト: バーストの相当部分（QPD1の47%およびQPD2の76%）が、両方の検出器で同時に発生した。相互相関解析（$R_{12}(\tau)$）は、ゼロ遅延において顕著なピークを示し、デバイス間の時間的相関を裏付けている。
   • 無相関なバースト: 一部のバーストは片方の検出器でのみ発生しており、これはすべてのバーストイベントが空間的に相関しているわけではないことを示している。
4. オフセット電荷シフトを伴うイベント: 著者らは、有効なオフセット電荷（$n_g$）の離散的なシフトを伴う、稀なクラスの相関したバースト（同時発生イベントにおいて $\sim 0.43$ h$^{-1}$ で発生）を特定した。このシフトは、IQ平面におけるパリティ状態クラスターの変位およびパリティ分裂の変化として現れる。これらのイベントは、局所的な静電環境を乱す電離放射線イベントと一致している。
5. メカニズムの区別: 結果は、電荷シフトを伴うバースト（おそらく電離現象）がある一方で、電荷の変化を伴わない相関したバーストも多く存在することを示唆している。これは、電荷の景観を変えないフォノン媒介のペア破壊プロセスも、相関したQPダイナミクスに寄与していることを意味する。

意義と主張
本論文は、超伝導回路における準粒子バーストを特定し、その相関性と空間構造を区別するための、実用的かつ拡張可能な手法を確立した。著者らは、このアプローチが、過渡的なコヒーレンス時間の低下測定を超えた診断ツールを提供することにより、超伝導量子プロセッサにおける相関エラーを抑制する道を進展させるものであると主張している。個々のトンネリングイベントを解像することで、この手法は、ギャップ工学やフォノントラップなどの緩和戦略を評価するための、より高感度なベンチマークを提供する。本研究は、相関したエラーが複数の物理的メカニズム（電離放射線およびフォノン応力）から生じ得ることを強調しており、大規模な量子プロセッサにおけるエラー緩和には多角的なアプローチが必要であることを示している。著者らは、現在のセットアップは2つのデバイス間の空間分解能を提供するものであるが、より多くの検出器を統合することで、これらのイベントの空間マッピングをさらに強化できる可能性があると述べている。