Qubit error bursts in superconducting quantum processors of Quantum Inspire: quasiparticle pumping and anomalous time dependence

Deze studie analyseert foutprijzen in supergeleidende quantumprocessors van Quantum Inspire en onthult dat processors met Dolan-juncties unieke kenmerken vertonen, namelijk een kortere hersteltijd door quasiparticle-pomping bij snellere pulsing en een anomale tijdsafhankelijkheid van de foutfrequentie die weken na koeling optreedt.

De kern

Titel: Waarom kwantumcomputers soms "sneeuwbuien" krijgen en hoe we ze kunnen kalmeren

Stel je voor dat een kwantumcomputer een heel gevoelige orkestzaal is. De muzikanten zijn de qubits (de bouwstenen van de computer). Ze moeten perfect in tune spelen om complexe muziek (berekeningen) te maken. Maar er is een probleem: er waait constant een koude, onzichtbare wind door de zaal. Deze wind bestaat uit straling van de ruimte en uit het aardoppervlak.

Normaal gesproken is deze wind zacht. Maar soms, als een stralingsdeeltje (zoals een kosmisch deeltje) de vloer raakt, veroorzaakt het een sneeuwbui in de orkestzaal. Plotseling krijgen alle muzikanten tegelijk last van ruis en stoppen ze met spelen. In de wetenschap noemen we dit een "qubit error burst".

De onderzoekers van Quantum Inspire (in Delft) hebben twee van deze orkestzalen gebouwd: Starmon-5 en Starmon-7. Ze zien er bijna identiek uit, maar ze zijn gebouwd met een heel klein, belangrijk verschil in de "noten" (de Josephson-koppelingen) die de muzikanten gebruiken.

Hier is wat ze hebben ontdekt, vertaald in begrijpelijke taal:

1. De sneeuwbui duurt langer in de ene zaal dan in de andere

Wanneer de sneeuwbui (de stralingsstoot) voorbij is, moeten de muzikanten rustig weer op gang komen.

• In Starmon-7 duurt het ongeveer 0,25 seconde voordat iedereen weer rustig is.
• In Starmon-5 duurt het 8 keer langer (ongeveer 2 seconden).

Het verrassende is: dit heeft niets te maken met welke koelkast (de koelinstallatie) ze in staan. Het ligt aan het ontwerp van de zaal zelf. De onderzoekers vermoeden dat de vorm van de "noten" in Starmon-5 ervoor zorgt dat de koude lucht (deeltjes) langer blijft hangen.

2. Het "Pompen"-trucje (Alleen in Starmon-5)

Dit is het meest creatieve deel van het verhaal.
In Starmon-5 hebben de onderzoekers ontdekt dat ze de "koude lucht" sneller weg kunnen pompen door de muzikanten vaker te laten oefenen.

• De Analogie: Stel je voor dat er een gat in de vloer zit waar de koude lucht in blijft hangen (een "valkuil"). In Starmon-5 is er per ongeluk een extra afvoerkanaal gebouwd in de vloer (door de specifieke bouwmethode, de "Dolan-brug").
• Het Experiment: Als de onderzoekers de muzikanten sneller laten spelen (meer "pi-pulsen"), fungeert dit als een pomp. Ze duwen de koude lucht actief naar dat afvoerkanaal.
• Het Resultaat: De "sneeuwbui" stopt veel sneller. In Starmon-7 werkt dit niet, omdat ze geen zo'n afvoerkanaal hebben. Het is alsof je in Starmon-7 probeert water weg te pompen met een emmer, terwijl je in Starmon-5 een afvoerpijp hebt die je kunt openen.

3. De mysterieuze "Storm" die na weken komt

Dit is het raadsel waar de onderzoekers nog geen antwoord op hebben.
In Starmon-5 gebeurde er iets vreemds:

1. Alles was rustig voor een paar weken.
2. Plotseling, na 3 of 4 weken, kwam er een enorme storm (de fouten werden 10 tot 100 keer vaker).
3. Na een paar dagen van deze storm, gebeurde er iets magisch: de storm stopte niet gewoon, maar de fouten verdwenen bijna volledig. De computer werd beter dan voor de storm.
4. Dit bleef zo totdat ze de computer even "opwarmden" en weer afkoelden (een thermische cyclus), waarna de cyclus opnieuw kon beginnen.

Het is alsof je een kamer hebt waar het dagenlang regent. Plotseling stopt de regen, maar in plaats van dat het droog wordt, wordt het beter dan ooit tevoren, alsof de regen de kamer heeft schoongespoeld. De onderzoekers weten niet precies waarom dit gebeurt, maar het is een kans om kwantumcomputers in de toekomst nog stabieler te maken.

Waarom is dit belangrijk?

Voor een kwantumcomputer is het cruciaal dat fouten niet tegelijkertijd gebeuren. Als alle qubits tegelijk uitvallen, kun je de fouten niet corrigeren.

• Door te begrijpen hoe deze "sneeuwbuien" werken, kunnen we beter bescherming bouwen.
• Door te leren hoe we de "pomp" kunnen gebruiken (in Starmon-5), kunnen we de hersteltijd verkorten.
• Als we ooit begrijpen waarom die "storm" na weken verdwijnt, kunnen we misschien computers bouwen die zichzelf "opfrissen" na een stralingsstoot.

Kort samengevat:
De onderzoekers hebben ontdekt dat twee bijna-identieke kwantumcomputers zich heel anders gedragen bij straling. De ene kan de stralingsschade sneller "wegpompen" door slim te spelen, en de andere heeft een mysterieus gedrag waarbij de fouten na een tijdje vanzelf verdwijnen. Dit helpt ons om de volgende generatie kwantumcomputers te bouwen die minder snel vastlopen.

Technische samenvatting

Probleemstelling

Superconducting quantum processors zijn gevoelig voor ioniserende straling (kosmische straling en lokale radioactiviteit). Wanneer een hoog-energetisch deeltje het chipoppervlak raakt, genereert het fononen en elektron-gatparen in het substraat. Deze fononen breken Cooper-paren in de supergeleidende lagen, wat leidt tot een toename van de quasipartikel (QP) dichtheid. QP's kunnen door de Josephson-juncties (JJs) van qubits tunnelen, waardoor qubits relaxeren en fouten ontstaan.

Deze fouten treden vaak niet geïsoleerd op, maar als gecorreleerde foutenstoten (error bursts) die meerdere qubits tegelijkertijd beïnvloeden. Dit vormt een kritieke beperking voor kwantumfoutcorrectie (QEC) en de realisatie van fouttolerant kwantumcomputing, omdat QEC-codes vaak aannemen dat fouten onafhankelijk zijn. Hoewel strategieën zoals stralingsbescherming en QP-vangsten worden onderzocht, blijft het gedrag van deze foutenstoten, vooral hun tijdsafhankelijkheid en herstelmechanismen, onvoldoende begrepen.

Methodologie

De auteurs van QuTech (TU Delft) hebben twee transmon-gebaseerde processors van het Quantum Inspire-platform bestudeerd:

1. Starmon-5 (S-5): 5 werkende qubits (van de 7), gebruikmakend van Dolan-brug Josephson-juncties.
2. Starmon-7 (S-7): 7 werkende qubits, gebruikmakend van Manhattan-stijl Josephson-juncties.

Beide processors hebben een vergelijkbaar ontwerp, fabricageproces en verpakking, maar verschillen in het type JJ. Om apparaatspecifieke kenmerken te onderscheiden van koelkastafhankelijke variaties, werden metingen uitgevoerd in twee verschillende verdunningskoelkasten (A en B).

Detectieschema:

• Een herhalend subcircuit werd gebruikt waarbij alle qubits achtereenvolgens een $\pi$-puls kregen, een wachttijd volgde, en vervolgens uitgelezen werden.
• Een "qubit-fout" werd gedefinieerd als twee opeenvolgende '0'-uitkomsten (indicatie van relaxatie).
• Een gelijktijdige foutgebeurtenis werd geregistreerd wanneer het aantal foutieve qubits ($n$) een drempel $k$ overschreed.
• Door middel van template-matching (gebaseerd op een gestapeld exponentieel verval) werden echte stralingsstoten onderscheiden van basisrelaxatie ($T_1$) en uitleesfouten.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

1. Apparatuur-specifieke Hersteltijden

De auteurs vonden dat de hersteltijd ($t_{rec}$) van een foutenstoot sterk verschilt tussen de twee processors, ongeacht de gebruikte koelkast:

• S-5 (Dolan): $t_{rec} \approx 2$ ms.
• S-7 (Manhattan): $t_{rec} \approx 250$ $\mu$s.
  Deze factor 8 verschil wordt toegeschreven aan geometrische verschillen in de JJ-elektroden, die de efficiëntie van QP-vangst en recombinatie beïnvloeden.

2. Quasiparticle Pumping (QP-pomping) in S-5

Een onverwachte observatie was dat de hersteltijd in S-5 kon worden verkort door de frequentie van $\pi$-pulsen in het detectieschema te verhogen.

• Mechanisme: Dolan-brug JJs hebben een ingebouwde "val" voor quasipartikels door de constructie van dunne en dikke aluminiumlagen met verschillende supergeleidende bandgaten ($\Delta$).
• Werking: Wanneer een qubit in de $|1\rangle$-toestand is, kan een QP aan de zijkant van de dikke laag tunnelen naar de dunne laag (energie absorberend, qubit relaxerend naar $|0\rangle$). De QP diffundeert vervolgens naar de dikke laag aan de andere kant en wordt daar gevangen.
• Effect: Herhaaldelijke $\pi$-pulsen (die de qubit terug naar $|1\rangle$ brengen) creëren een netto-pompstroom van QP's weg van de actieve junctie naar de val. Dit vermindert de lokale QP-dichtheid en verkort de hersteltijd.
• Contrast: Dit effect werd niet waargenomen in S-7, omdat Manhattan-juncties geen dergelijke ingebouwde valstructuur hebben.

3. Anomale Tijdsafhankelijkheid ("Surge")

In S-5 werd een opvallend en onverklaard fenomeen waargenomen:

• Na weken van stabiliteit bij basis temperatuur, treedt er plotseling een surge op: de foutenstootfrequentie ($\gamma_{kept}$) stijgt met een factor 10 tot 100 gedurende enkele uren, vergezeld van een daling van de gemiddelde $T_1$.
• Na deze piek daalt de frequentie monotoon en stabiliseert deze op een niveau dat 100 keer lager is dan direct na het koelproces.
• Deze lage frequentie blijft bestaan totdat het apparaat thermisch wordt gecycled (verwarmd tot 4 K of kamertemperatuur), waarna het proces reset.
• Dit fenomeen is niet waargenomen in S-7 en lijkt gerelateerd aan de fabricage of verpakking van S-5 (bijvoorbeeld het ontbreken van GE-vernish op de achterkant in eerdere batches).

Significantie en Conclusie

De studie levert cruciale inzichten voor de ontwikkeling van robuuste kwantumcomputers:

1. Fabricage-impact: Het type Josephson-junctie (Dolan vs. Manhattan) heeft een directe invloed op de dynamiek van quasipartikels en de hersteltijd van fouten. Dolan-juncties blijken een ingebouwde mechanisme te hebben voor QP-verwijdering via pulsing.
2. Mitigatiestrategie: Het gebruik van $\pi$-pulsen om QP's actief te "pompen" naar een val biedt een potentiële software-gestuurde methode om de impact van stralingsstoten te verminderen, mits de juiste hardware-architectuur wordt gebruikt.
3. Nieuw Fenomeen: De waarneming van de "surge" en de daaropvolgende langdurige onderdrukking van fouten suggereert dat er onbekende on-chip mechanismen zijn die de QP-dichtheid op lange termijn beïnvloeden. Het begrijpen hiervan zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om fouten te onderdrukken zonder extra hardware.
4. Validatie: De resultaten bevestigen dat foutenstoten inderdaad consistent zijn met ioniserende straling, maar dat de respons van het systeem sterk afhankelijk is van de specifieke chip-architectuur en fabricagehistorie.

Samenvattend toont dit werk aan dat het beheersen van quasipartikels niet alleen een kwestie is van stralingsbescherming, maar ook van slimme ontwerpkeuzes (zoals QP-vallen) en mogelijk dynamische controle, terwijl het ook nieuwe vragen opwerpt over de tijdsafhankelijke evolutie van fouten in supergeleidende circuits.