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

Technische Samenvatting: Real-time detectie van gecorreleerde quasiparticle-tunnelingevents in een multi-qubit supergeleidend apparaat

Probleemstelling
Quasiparticle (QP)-tunneling over Josephson-junctions is een significante bron van decoherentie en gecorreleerde fouten in supergeleidende kwantumcircuits. Hoewel recente materiaalverbeteringen de coherentie van qubits hebben verhoogd, heeft de schaling van kwantumprocessors de noodzaak vergroot om de impact van QP-geïnduceerde fouten te begrijpen en te mitigeren, met name "bursts" van QPs die tijdelijk en ruimtelijk gecorreleerde fouten creëren. Dergelijke correlaties schenden de aannames van kwantumfoutcorrectiecodes zoals de surface code. Deze bursts worden vaak toegeschreven aan ioniserende straling (kosmische stralen, radioactieve materialen) of fonon-spanning-ontlading (phonon stress release), die simultaan de relaxatietijden van meerdere qubits kunnen verslechteren. Er bestaat een kritieke kloof in de mogelijkheid om dergelke gebeurtenissen in real-time op individuele apparaten te detecteren om onderscheid te maken tussen ongecorreleerde achtergrondtunneling en gecorreleerde burst-events, en om hun fysieke oorsprong (bijv. ioniserende versus alleen fonon-gebeurtenissen) te identificeren.

Methodologie
De auteurs ontwikkelden een real-time detectieschema met behulp van twee matig ladingsgevoelige transmon-qubits (QPD1 en QPD2) die samen op een enkele siliciumchip zijn gehuisvest en gekoppeld zijn aan een gemeenschappelijke coplanaire golfgeleider.

• Apparaatarchitectuur: De twee transmons, gescheiden door 1,5 mm, delen een condensatorgeometrie maar hebben verschillende junction-oppervlakken. Ze zijn gefabriceerd met aluminium Josephson-junctions op een siliciumsubstraat met een aluminium grondvlak. Het apparaat is afgeschermd in een indium-afgedichte koperen behuizing met hoogenergetische stralingsdrainfilters om externe hoogfrequente straling te onderdrukken.
• Detectiemechanisme: Het systeem maakt gebruik van coherente microgolfverstrooiing. Een continue drive-toon wordt toegepast op de overgangsfrequenties van de qubits, die afhankelijk zijn van de charge parity ($P = \pm 1$) van de supergeleidende eilanden. Wanneer een QP op of van een eiland tunnelt, klapt de charge parity om, wat een instantane verschuiving in de overgangsfrequentie van de qubit veroorzaakt.
• Meetprotocol: De onderzoekers monitoren continu het getransmitteerde veld door de golfgeleider. Door het signaal digitaal te demoduleren bij de parity-afhankelijke overgangsfrequenties ($\omega^\pm_{01}$), lossen zij abrupte overgangen op tussen twee discrete signaalniveaus die overeenkomen met even en oneven charge parity-toestanden.
• Data-analyse: Tijdsporen werden verworven met een bin-grootte van 100 $\mu$s. De auteurs gebruikten een drempelwaarde-protocol om schakelgebeurtenissen te identificeren en gebruikten kernel density estimation (KDE) om onderscheid te maken tussen baseline-schakelen en "burst"-intervallen (gedefinieerd als sequenties van sprongen met intervallen tussen gebeurtenissen $< 5$ ms). Zij voerden cross-correlatie-analyse uit op de burst-count tijdreeksen om de inter-device correlaties te bepalen.

Belangrijkste bijdragen en resultaten

1. Real-time detectie van QP-tunneling: De studie demonstreert succesvol de real-time detectie van individuele QP-tunnelingevents met een temporele resolutie van tientallen microseconden. De achtergrond-tunnelingssnelheden werden gemeten op het niveau van enkele hertz ($\Gamma^{(1)}_{slow} \approx 5,28$ s$^{-1}$ en $\Gamma^{(2)}_{slow} \approx 3,61$ s$^{-1}$).
2. Identificatie van burst-regimes: De auteurs identificeerden intermitterende "QP-bursts" waarbij de tunnelingrate met ongeveer drie grootheden toenam (tot $\sim 4000$ s$^{-1}$). Deze bursts hebben een karakteristieke levensduur van ongeveer 7 ms.
3. Correlatie-analyse:
   • Ongecorreleerde achtergrond: Buiten de burst-intervallen worden de schakelgebeurtenissen goed beschreven door onafhankelijke Poissoniaanse processen zonder meetbare temporele correlatie tussen de twee apparaten.
   • Gecorreleerde bursts: Een significant deel van de bursts (47% van de QPD1-bursts en 76% van de QPD2-bursts) vindt gelijktijdig plaats in beide detectoren. Cross-correlatie-analyse ($R_{12}(\tau)$) toont een uitgesproken piek bij nul vertraging, wat de temporele correlatie tussen de apparaten bevestigt.
   • Ongecorreleerde bursts: Sommige bursts komen slechts in één detector voor, wat aangeeft dat niet alle burst-events ruimtelijk gecorreleerd zijn.
4. Offset-charge-shifting events: De auteurs identificeerden een zeldzame subclass van gecorreleerde bursts (voorkomend bij $\sim 0,43$ h$^{-1}$ voor gelijktijdige gebeurtenissen) vergezeld van een discrete verschuiving in de effectieve offset-lading ($n_g$). Deze verschuiving manifesteert zich als een verplaatsing van de parity-state clusters in het IQ-vlak en een verandering in de parity splitting. Deze gebeurtenissen zijn consistent met ioniserende stralingsgebeurtenissen die de lokale elektrostatische omgeving verstoren.
5. Onderscheid tussen mechanismen: De resultaten suggeren dat hoewel sommige bursts gepaard gaan met charge-verschuivingen (waarschijnlijk ioniserende gebeurtenissen), veel gecorreleerde bursts optreden zonder detecteerbare charge-verschuivingen. Dit impliceert dat fonon-gemedieerde pair-breaking processen, die de charge-landschap niet veranderen, ook bijdragen aan gecorreleerde QP-dynamica.

Betekenis en claims
Het artikel vestigt een praktische en uitbreidbare methode voor het identificeren van quasiparticle-bursts in supergeleidende circuits, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen hun correlaties en ruimtelijke structuur. De auteurs beweren dat deze aanpak bijdraagt aan de weg naar het onderdrukken van gecorreleerde fouten in supergeleidende kwantumprocessors door een diagnostisch instrument te bieden dat verder gaat dan transient coherence-time degradatiemetingen. Door individuele tunnelingevents te resolveren, biedt de methode een gevoeliger benchmark voor het evalueren van mitigatiestrategieën zoals gap engineering en phonon trapping. Het werk benadrukt dat gecorreleerde fouten uit meerdere fysieke mechanismen kunnen voortkomen (ioniserende straling en fonon-spanning), wat een veelzijdige aanpak voor foutmitigatie in grootschalige kwantumprocessors noodzakelijk maakt. De auteurs merken op dat hoewel hun huidige opstelling ruimtelijke resolutie tussen twee apparaten biedt, het integreren van meer detectoren de ruimtelijke mapping van deze gebeurtenissen verder kan verbeteren.