First Measurement of Correlated Charge Noise in Superconducting Qubits at an Underground Facility

De kern

Het Grote Plaatje: Luisteren naar de "Statische Ruis" van een Kwantumcomputer

Stel je voor dat je een zeer delicaat, hoogtechnologisch muziekinstrument hebt (een supergeleidende qubit) dat een perfecte, constante toon moet spelen. Dit instrument is zo gevoelig dat als er één stofje op landt, of als er een klein briesje tegenaan komt, de toon direct van hoogte verandert.

Wetenschappers willen een "kwantumcomputer" bouwen met veel van deze instrumenten die samen spelen. Maar ze hebben een probleem: ruis. Specifiek onzichtbare deeltjes uit de ruimte (kosmische straling) en natuurlijke achtergrondstraling (gammastraling) raken het instrument voortdurend, waardoor het "springt" of een foutje maakt. Deze foutjes worden lading-sprongen (charge jumps) genoemd.

Dit artikel gaat over een team wetenschappers dat hun delicate instrument diep onder de grond heeft gebracht om te zien of ze de ruis genoeg konden dempen om de muziek duidelijk te kunnen horen.

Het Experiment: Diep Onder de Grond

1. De Locatie (De Diepe Bunker)
De wetenschappers verplaatsten hun experiment van een laboratorium aan de oppervlakte naar een faciliteit genaamd NEXUS, gelegen op 107 meter diepte in een rotsgang bij Fermilab.

• De Analogie: Denk aan het aardoppervlak als een drukke snelweg waar auto's (kosmische stralen) constant voorbij razen. De ondergrondse faciliteit is als een diepe bunker. De dikke rotslagen boven de grond fungeren als een massief schild dat meer dan 99% van de "auto's" die naar binnen willen, blokkeert.

2. Het Schild (De Loden Dekens)
Zelfs onder de grond komt er nog wat straling doorheen. Om dit verder te testen, bouwde het team een verplaatsbare "deken" gemaakt van dik lood rond hun experiment.

• De Analogie: Stel je voor dat je een zware, met lood gevoerde regenjas draagt. Wanneer de jas aan is (Schild Open), ben je beschermd tegen de regen (gammastraling). Wanneer je hem uittrekt (Schild Gesloten), word je nat. De wetenschappers wilden zien hoeveel "regen" er in beide scenario's daadwerkelijk op hun instrument viel.

3. De Meting (De Lading-sprongen)
De qubits in dit experiment zijn ontworpen als "elektrometers" — ze zijn als kleine weegschalen die elektrische lading kunnen wegen. Wanneer een deeltje de chip raakt, creëert dit een piepkleine uitbarsting van elektriciteit, waardoor de "weegschaal" springt.

• De Analogie: Stel je een trampoline voor. Als iemand erop springt, stuitert hij. Als een klein vliegje erop landt, beweegt hij nauwelijks. De wetenschappers hielden de "stuiteringen" (lading-sprongen) op hun kwantumtrampoline in de gaten. Ze keken specifiek naar gecorreleerde sprongen — momenten waarop twee verschillende trampolines precies op hetzelfde moment sprongen. Dit is slecht voor kwantumcomputers omdat het betekent dat één enkele kosmische straal beide heeft geraakt, wat een dubbele fout veroorzaakt.

Wat Ze Hebben Ontdekt

1. De "Regen" Werd Lichter, Maar Niet Zo Veel als Verwacht
Toen ze het loden schild sloten, nam het aantal lading-sprongen af.

• Het Resultaat: De sprongen namen af met een factor van ongeveer 2,7.
• De Verrassing: De wetenschappers maten de straling die het schild raakte en ontdekten dat de "regen" (gammastraling) feitelijk met een factor 20 was afgenomen.
• De Metafoor: Het is alsof je een regenjas ophangt die 95% van de regen blokkeert, maar je voelt je slechts 30% minder nat. Dit vertelde de wetenschappers dat hoewel het schild de externe regen blokkeerde, er ergens anders een "lek" was. Er is een excessieve bron van ruis afkomstig van binnenuit de machine zelf (misschien van de materialen in de koelkast of gevangen ladingen in de chip) die het loden schild niet kon stoppen.

2. De "Stille" Zone (Geen Gecorreleerde Sprongen)
De meest opwindende ontdekking kwam toen ze keken naar de afstand tussen de qubits.

• De Opstelling: Ze hadden vier qubits. Twee waren heel dicht bij elkaar (als buren), en twee waren ver van elkaar verwijderd (als buren die aan weerszijden van de straat wonen).
• Het Resultaat: Toen het schild gesloten was, draaide het team het experiment gedurende 22 opeenvolgende uren. Tijdens die hele tijd sprongen de twee qubits die ver uit elkaar lagen (meer dan 3 millimeter) nooit tegelijkertijd.
• De Metafoor: Stel je twee mensen voor die 3 meter uit elkaar staan. Als er een enorme rotsblok uit de lucht valt, kan deze beide mensen raken. Maar in dit experiment was er gedurende een hele dag geen enkele "rots" groot genoeg om beide verre qubits tegelijkertig te raken. Ze bereikten een "stille zone" waar fouten zich niet verspreidden tussen verre delen van de computer.

De Conclusie

Het artikel claimt drie hoofdzaken:

1. Onder de grond helpt: Het verplaatsen van het experiment naar onder de grond verminderde het aantal fouten veroorzaakt door kosmische straling aanzienlijk.
2. Er is een mysterie: Zelfs diep onder de grond met een loden schild is er nog steeds meer ruis dan verwacht. Het komt niet alleen van buitenaf; iets binnenin de apparatuur veroorzaakt nog steeds "statische ruis".
3. Afstand doet ertoe: Voor het eerst hebben ze bewezen dat als je de kwantumbits ver genoeg uit elkaar plaatst (meer dan 3 mm) en ze goed afschermt, je "gecorreleerde fouten" (waarbij één fout een kettingreactie van fouten veroorzaakt) voor lange perioden kunt stoppen.

Wat ze NIET claimden:
Het artikel beweert niet dat ze al een werkende kwantumcomputer hebben gebouwd die problemen kan oplossen. Het beweert ook niet dat dit alle fouten voor altijd oplost. Het rapporteert strikt over het meten van de "statische ruis" en het bewijzen dat de "statische ruis" onder de grond, met afscherming, kan worden teruggebracht tot een niveau waarbij verre qubits niet met elkaar in conflict komen.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Eerste meting van gecorreleerde ladingsruis in supergeleidende qubits in een ondergrondse faciliteit

Probleemstelling
Ioniserende straling wordt steeds vaker erkend als een significante bron van decoherentie en gecorreleerde fouten in supergeleidende qubits. Eerdere studies hebben een correlatie vastgesteld tussen de flux van ioniserende straling (specifiek kosmische stralen en omgevingsgamma's) en de energie-relaxatiesnelheden ($1/T_1$) van qubits evenals simultane multi-qubit fouten. Deze gecorreleerde fouten vormen een uitdaging voor de effectiviteit van kwantumfoutcorrigerende surface codes. Terwijl laboratoria aan het oppervlak worden blootgesteld aan hoge fluxen van kosmische muonen en omgevingsgamma-straling, vereist de specifieke bijdrage van deze bronnen aan de ladingsruis in het qubit-substraat, en de mogelijkheid om deze te mitigeren, isolatie van de achtergrond op het oppervlak. Bovendien opereren de mechanismen waarmee ioniserende gebeurtenissen ladingsprongen in het substraat induceren (via elektron-gat-paarproductie, fonon-diffusie en ladingstrapping) op tijdschalen variërend van nanoseconden tot dagen, wat langdurige monitoring noodzakelijk maakt om de ruisomgeving volledig te karakteriseren.

Methodologie
De auteurs voerden metingen uit op een vier-qubit zwak ladingsgevoelig transmon-apparaat (met $E_J/E_C = 24$) dat werd verplaatst van een laboratorium aan het oppervlak in Madison, WI, naar de Northwestern EXperimental Underground Site (NEXUS) bij Fermilab, gelegen op 107 meter ondergronds. Deze diepte biedt een rotslaag die overeenkomt met 225 meter water, wat de flux van kosmische muonen met meer dan 99% vermindert ten opzichte van zeeniveau.

De experimentele opstelling omvatte:

• Afscherming: Een modulaire loden afscherming die $4\pi$-dekking bood rond de cryogene payload om de omgevingsgamma-straling te dempen.
• Cryogenica: Het apparaat werkte in een verdunningskoeler bij een basistemperatuur van 10,5 mK binnen een cleanroomomgeving om de deeltjesverontreiniging te minimaliseren.
• Stralingsmonitoring: Een $Li_2MoO_4$ (LMO) kristal, uitgerust met een Transition Edge Sensor (TES), werd op 18,7 cm afstand van de qubit-chip geplaatst binnen dezelfde cryostaat om de gammaflux en het spectrum onafhankelijk te meten.
• Meetprotocol: Het team maakte gebruik van Ramsey-tomografie sequenties ($X/2 - \text{Idle} - X/2$) om de offset-lading ($n_g$) op de qubit-eilanden in kaart te brengen tegen de aangeslagen toestand waarschijnlijkheid ($P_1$). Door de ladingsbias te scannen en de fase-evolutie te analyseren, detecteerden de onderzoekers discontinue sprongen in de geïnduceerde lading.
• Data-analyse: Er werd een rolling $\chi^2$-minimalisatiealgoritme gebruikt om tomografie-scans te fitten tegen een template afgeleid van jump-vrije scans. Deze methode identificeerde ladingssprongen met grootte $0,1e \le |\Delta q| \le 0,5e$. De efficiëntie van deze detectiemethode werd via simulatie gevalideerd op meer dan 70%.

Er werden twee primaire datasets verzameld:

1. Shield Open (SO): Omgevingscondities van de gammaflux.
2. Shield Closed (SC): Minimale gammaflux condities (loden afscherming gesloten).

Belangrijkste Resultaten

• Ladingssprong-snelheden: De gemiddelde ladingssprong-snelheid voor de vier qubits werd gemeten op $0,51^{+0,05}_{-0,04}$ mHz in de Shield Open configuratie en verminderde naar $0,19^{+0,04}_{-0,03}$ mHz in de Shield Closed configuratie.
• Gammaflux Correlatie: De LMO-detector mat een reductiefactor van 20 $\pm$ 1 (voor energieën $>150$ keV) in de gammaflux wanneer het schild gesloten was. Echter, de ladingssprong-snelheid nam slechts met een factor 2,7 af. Deze discrepantie geeft aan dat in de lage-achtergrond SC-configuratie, de ladingssprong-snelheid niet wordt gedomineerd door externe gammaflux.
• Excess Snelheid: Door de SC-snelheid af te trekken van de SO-snelheid (rekening houdend met een constante excess background), berekenden de auteurs een gamma-geïnduceerde sprong-snelheid van $0,34^{+0,07}_{-0,06}$ mHz en een excess snelheid van $0,17^{+0,04}_{-0,03}$ mHz die in beide configuraties aanwezig is. Dit excess is inconsistent met de verwachte muon-snelheden (die $\sim 0,08$ mHz/cm$^2$ zijn) en de omgevingsgammaflux alleen.
• Gecorreleerde Ruis: De studie mat gecorreleerde ladingssprongen tussen qubit-paren. Voor qubits gescheiden door minder dan 1 mm (340 $\mu$m en 640 $\mu$m), werden gecorreleerde sprongen waargenomen. Echter, voor qubit-paren gescheiden door afstanden groter dan 3 mm (specifiek 3,18 mm tot 3,33 mm), observeerde het team nul gecorreleerde ladingssprongen gedurende 22 opeenvolgende uren van continue operatie in de Shield Closed configuratie.
• Grootte van de Sprongen: De gedetecteerde ladingssprongen varieerden van $0,1e$ tot $0,5e$.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt de eerste meting te presenteren van gecorreleerde ladingsruis in een ladingsgevoelige qubit-chip die in een ondergrondse faciliteit wordt bedreven. De primaire betekenis ligt in de demonstratie dat het verplaatsen naar een ondergrondse faciliteit de frequentie van ladings-burst events aanzienlijk vermindert, hoewel niet zo drastisch als de reductie in de muonflux alleen zou suggereren, wat wijst op andere stratiebronnen of interne mechanismen.

Cruciaal is dat de auteurs de eerste eliminatie van gecorreleerde ladingsruis rapporteren in ladingsgevoelige qubits die meer dan 3 mm van elkaar gescheiden zijn over tijdsschalen die de dag benaderen. Deze bevinding is significant voor fouttolerante kwantumcomputing, omdat het suggereert dat ruimtelijke scheiding van qubits gecorreleerde fouten veroorzaakt door ioniserende straling in omgevingen met een lage achtergrond effectief kan mitigeren. Daarnaast dragen de resultaten bij aan het begrip van supergeleidende qubits als deeltjesdetectoren voor fundamentele fysica, waarbij de noodzaak wordt benadrukt om specifieke stralings-geïnduceerde foutmechanismen te karakteriseren en te mitigeren. De auteurs merken op dat de oorsprong van de "excess" ladings-bursts waargenomen in de geschermde configuratie een open vraag blijft, met potentiële kandidaten zoals de relaxatie van gevangen lading, secundaire effecten van kosmogene interacties met cryostaatmaterialen, of anomale lokale stralingsbronnen.