Quasiparticle-induced decoherence of a driven superconducting qubit

In hun zoektocht naar het bouwen van een computer die problemen kan oplossen die buiten het bereik van de huidige machines liggen, wenden wetenschappers zich tot de vreemde wereld van de kwantummechanica. In het hart van deze inspanning staan supergeleidende qubits, minuscule elektrische circuits die fungeren als de basisunits van informatie. Om te kunnen functioneren, moeten deze circuits op temperaturen worden gehouden die kouder zijn dan de diepe ruimte, nabij het absolute nulpunt. Onder deze ijzige omstandigheden stroomt elektriciteit zonder enige weerstand, en gedraagt het circuit zich als één enkel, verenigd kwantumobject. Echter, zelfs bij deze extreme temperaturen is het materiaal niet perfect zuiver. Kleine, gebroken fragmenten van de supergeleidende staat, bekend als quasipartikels, kunnen nog steeds bestaan. Deze fragmenten werken als rondvliegende elektronen die zich in het circuit kunnen sluipen en de delicate kwantumtoestand kunnen verstoren, wat fouten veroorzaakt. Jarenlang hebben ingenieurs geprobeerd dit op te lossen door circuits te ontwerpen met een specifieke energiebarrière die het voor deze rondvliegende deeltjes moeilijk maakt om te passeren, waardoor de qubit effectief wordt afgeschermd van hun interferentie.

Ondanks deze slimme technische trucjes, onthult een nieuwe studie dat het instrument dat wordt gebruikt om de qubit te besturen — het microgolfsignaal dat vertelt wat hij moet doen — onbedoeld deze slapende problemen kan wakker maken. De onderzoekers, werkend met supergeleidende circuits bij Google Quantum AI en universiteiten in de Verenigde Staten, ontdekten dat wanneer een qubit wordt aangestuurd door een microgolfsignaal om een berekening of een meting uit te voeren, de energie van dat signaal de quasipartikels kan helpen om de barrières te overwinnen die bedoeld waren om hen tegen te houden. Het is alsof het microgolfsignaal een boost aan energie geeft waardoor een geblokkeerd deeltje over een hek kan springen dat het op eigen kracht niet zou kunnen oversteken. Dit gebeurt op twee verschillende manieren. In het eerste geval absorbeert een bestaand rondvliegend deeltje een pakketje energie van het microgolfsignaal en een pakketje energie van de qubit zelf, waardoor het door het circuit kan tunnelen en de toestand van de qubit kan omdraaien. In het tweede geval is het microgolfsignaal zo intens dat meerdere pakketjes van de energie ervan gecombineerd worden om een paar elektronen te breken die eerder aan elkaar gebonden waren, waardoor twee nieuwe rondvliegende deeltjes ontstaan en de qubit naar een onbedoelde toestand springt.

Het team ontwikkelde een gedetailleerde theorie om te verklaren hoe deze processen optreden, waarbij de focus ligt op een specif kind van circuit genaamd een transmon, die breed wordt gebruikt in kwantumcomputing. Ze ontdekten dat de snelheid waarmee deze fouten optreden direct afhangt van de sterkte en frequentie van het gebruikte microgolfsignaal. Als het signaal sterk genoeg is, kan het de voordelen die zijn behaald door het ontwerp van de energiebarrière volledig tenietdoien, waardoor de qubit zijn informatie veel sneller verliest dan verwacht. Dit is een cruciale bevinding omdat het een fundamentele limiet stelt aan hoe nauwkeurig deze computers kunnen opereren. De onderzoekers toonden aan dat voor de meest geavanceerde uitleesmethoden die momenteel in gebruik zijn, de aanwezigheid van deze deeltjes foutmarges kan introduceren die aanzienlijk genoeg zijn om ertoe te doen bij precisieberekeningen. Nog verrassender was dat ze ontdekten dat terwijl één type fout bij bepaalde instellingen geblokkeerd kan worden, een ander type dat het absorberen van meerdere microgolfpakketjes betreft, nog steeds kan optreden, wat betekent dat het probleem niet gemakkelijk op te lossen is door simpelweg het signaal te verlagen.

De studie onderzocht ook hoe deze fouten veranderen wanneer het circuit wordt afgestemd door een magnetisch veld. Ze ontdekten dat bij bepaalde instellingen de fouten veroorzaakt door enkele microgolfpakketjes elkaar opheffen door een subtiel interferentie-effect, maar dat deze bescherming verdwijnt wanneer het circuit naar andere instellingen wordt afgestemd. In die gevallen worden de fouten veroorzaakt door de absorptie van twee microgolfpakketjes de dominante bron van problemen. Dit twee-fotonproces is bijzonder lastig omdat het kan optreden zelfs wanneer het proces met een enkel pakketje geblokkeerd is, en het wordt waarschijnlijker naarmate de microgolffrequentie toeneemt. De onderzoekers berekenden dat voor een typische opstelling de waarschijnlijkheid van deze fouten direct verbonden is met het aantal rondvliegende deeltjes in het apparaat. Als het aantal van deze deeltjes stijgt, bijvoorbeeld door straling die het apparaat raakt, stijgt de foutmarge evenredig, wat de nauwkeurigheid van de output van de computer merkbaar kan verminderen.

Dit werk suggereert dat de weg naar betrouwbare kwantumcomputing complexer is dan simpelweg het bouwen van betere barrières. De onderzoekers wijzen erop dat hoewel het afschermen van de qubit van rondvliegende deeltjes essentieel is, de methode die wordt gebruikt om de qubit te besturen ook zorgvuldig moet worden ontworpen om te voorkomen dat die deeltjes de energie krijgen die ze nodig hebben om problemen te veroorzaken. Ze stellen voor dat toekomstige ontwerpen mogelijk juncties met hogere energiebarrières moeten gebruiken of speciale vallen moeten bevatten om deze deeltjes te vangen voordat ze de gevoelige delen van het circuit bereiken. De bevindingen benadrukken ook een afruil in hoogfrequente uitleesmethoden: hoewel het gebruik van hogere frequenties de snelheid en helderheid van de meting kan verbeteren, brengt het te hoog opstuwen van de frequentie het risico met zich mee dat elektronenparen worden verbroken en nieuwe fouten ontstaan. De studie beweert het probleem van quasipartikel-interferentie niet te hebben opgelost, maar biedt een duidelijke kaart van waar de gevaren liggen wanneer een kwantumcomputer in bedrijf is. Door precies te begrijpen hoe de microgolfdrive interageert met deze rondvliegende deeltjes, kunnen ingenieurs nu systemen ontwerpen die deze specifieke valkuilen vermijden, waardoor de droom van een stabiele, grootschalige kwantumcomputer een stap dichter bij de realiteit komt.