Two-Level System Spectroscopy from Correlated Multilevel Relaxation in Superconducting Qubits

Technische Samenvatting: Spectroscopie van Tweelagen-systemen via Gecorreleerde Multilevel-relaxatie in Supergeleidende Qubits

Het Probleem

In moderne supergeleidende kwantumcomputers, zoals die gebaseerd op transmon-qubits, is het behoud van coherentie de grootste uitdaging. Een belangrijke bron van energieverlies (relaxatie) en decompressie (dephasering) zijn microscopische Two-Level Systems (TLS'en). Dit zijn defecten in de amorfe diëlektrica en materialen op de interfaces van de chip.

Traditioneel worden deze defecten geïdentificeerd door de qubit-frequentie te variëren (bijvoorbeeld via een flux-tunable inductor) totdat de qubit in resonantie komt met de TLS. Echter, in schaalbare architecturen gebruikt men vaak fixed-frequency transmons om controlecomplexiteit en gevoeligheid voor fluxruis te verminderen. Bij deze qubits is het zeer moeilijk om individuele defecten te lokaliseren en hun dynamiek te volgen, omdat de qubit-frequentie niet kan worden verschoven.

Methodologie

De auteurs introduceren een nieuwe spectroscopische methode die specifiek is ontworpen voor fixed-frequency transmons, gebaseerd op multilevel-relaxatie. In plaats van alleen de eerste twee energieniveaus ($|0\rangle$ en $|1\rangle$) te bekijken, maken zij gebruik van het tweede aangeslagen niveau ($|2\rangle$).

1. Protocol: De qubit wordt herhaaldelijk geprepareerd in de staat $|2\rangle$. Vervolgens wordt de populatie van de drie niveaus ($|0\rangle, |1\rangle, |2\rangle$) gemeten als functie van de tijd.
2. Simultane Extractie: Door de populatietracés te fitten aan de vergelijkingen van beweging, extraheren ze gelijktijdig de relaxatietijden van de eerste aangeslagen staat ($T_{1e} = 1/\Gamma_{10}$) en de tweede aangeslagen staat ($T_{1f} = 1/\Gamma_{21}$).
3. Correlatie-analyse: De kern van de methode ligt in het monitoren van de fluctuaties van deze twee relaxatiesnelheden over een lange periode (tot wel 60 uur). Als een enkele TLS zich tussen de transities $\omega_{01}$ en $\omega_{12}$ bevindt, zal een verschuiving in de frequentie van die TLS leiden tot een anti-correlatie: wanneer de TLS dichter bij $\omega_{01}$ komt, neemt de verliesratio daar toe, terwijl deze bij $\omega_{12}$ afneemt.

Belangrijkste Resultaten

• Identificatie van TLS-dynamiek: Voor "Device A" observeerden de onderzoekers een sterke anti-correlatie tussen $T_{1e}$ en $T_{1f}$. Dit bewees de aanwezigheid van één dominante TLS die tussen de twee transities in fluctueerde.
• Reconstructie van frequentie-drift: Met behulp van een single-TLS model konden de auteurs de frequentie-trajecten van de defecten reconstrueren. Ze vonden een frequentie-wandeling van ongeveer $\sim 10$ MHz, wat veel groter is dan de fluctuaties van de qubit zelf.
• Multi-defect regime: Voor "Device B" vertoonden de data minimale correlatie en zelfs periodieke inversies ($T_{1e} < T_{1f}$), wat duidt op de aanwezigheid van meerdere TLS'en. Dit werd succesvol gemodelleerd met een two-TLS model.
• Off-resonant effect: Een cruciaal resultaat is dat TLS'en die meer dan 100 MHz verwijderd zijn van de qubit-transitie, nog steeds een significante invloed hebben op de coherentie via de Lorentziaanse staarten van hun ruisspectrum.

Bijdrage en Betekenis

De belangrijkste bijdragen van dit werk zijn:

1. Nieuwe Diagnostische Tool: Het biedt een krachtige methode voor TLS-spectroscopie zonder dat er flux-tunability of grote AC-Stark verschuivingen nodig zijn. Dit maakt het direct toepasbaar op de meest veelbelovende schaalbare qubit-architecturen.
2. Dieper Inzicht in Verliesmechanismen: Het toont aan dat het beoordelen van verlies enkel op basis van de nabijheid tot de qubit-frequentie onvoldoende is; ook verre defecten moeten worden meegewogen.
3. Optimalisatie van Hardware: Door de specifieke frequenties en de drift van defecten te kennen, kunnen ingenieurs gerichtere strategieën ontwikkelen om de ruisspectra van materialen te manipuleren en zo de coherentietijden van kwantumprocessors te verbeteren.