Adaptive Spectroscopy of Fast Two-Level-System Dynamics in Superconducting Qubits

Stel je voor dat je probeert te luisteren naar één enkele, perfecte noot die op een viool wordt gespeeld in een concertzaal. Stel je nu voor dat de zaal vol zit met duizenden piepkleine, onzichtbare spoken. Deze spoken zijn niet eng; ze zijn alleen maar erg nerveus. Elke paar seconden kan er een van hen op de viool snaar springen, waardoor de toonhoogte van de noot net een klein beetje verandert, of het geluid sneller doet wegsterven dan het zou moeten. In de wereld van quantumcomputing zijn deze "spoken" echt. Ze worden twee-niveau-systemen (TLS) genoemd, en het zijn piepkleine defecten verborgen in de materialen waaruit quantumcomputers zijn opgebouwd.

Quantumcomputers zijn de volgende grote technologische sprong, die beloven problemen op te lossen die onmogelijk zijn voor de supercomputers van vandaag. Ze gebruiken "qubits" (quantum bits) om hun wiskunde uit te voeren. Maar qubits zijn ongelooflijk fragiel. Als een qubit zijn energie verliest of in de war raakt door ruis, mislukt de berekening. Jarenlang wisten wetenschappers dat deze TLS-defecten de belangrijkste reden zijn waarom qubits hun energie verliezen en fouten maken. Het probleem is dat deze defecten sluw zijn. Ze bewegen rond, veranderen van frequentie en schakelen aan en uit. Tot nu toe waren de instrumenten die werden gebruikt om deze defecten te bestuderen alsof je een foto probeert te maken van een kolibrie met een camera die slechts één foto per uur maakt. Tegen de tijd dat de foto ontwikkeld was, was de vogel alweer weggevlogen en had hij van kleur veranderd. We wisten dat de spoken er waren, maar we konden ze niet op heterdaad betrappen.

Dit is waar een nieuw team onderzoekers in beeld komt met een slimme truc. Ze hebben een "super-snelheidscamera" gebouwd voor deze quantum-spoken. In plaats van uren te wachten om te zien wat een defect aan het doen is, gebruiken ze een slim, adaptief systeem dat zijn vermoedens duizenden keren per seconde bijwerkt. Met deze nieuwe methode ontdekten ze dat deze defecten veel actiever zijn dan we dachten. Ze ontdekten dat sommige defecten hun gedrag in slechts een paar seconden veranderen, en andere dwalen rond als een dronken persoon die naar huis loopt, bewegend veel sneller dan ooit tevoren is gezien.

Hier is het verhaal van hun ontdekking, verteld in de taal van een nieuwsgierige tiener.

De Geesten in de Machine

Beschouw een supergeleidende qubit als een zeer gevoelige radiozender. Hij zendt uit op een specifieke frequentie, zoals 5,1 gigahertz. Om zijn werk te doen, moet hij precies op die frequentie blijven afgestemd. Maar binnenin de radio zitten kleine, onzichtbare "defecten" (de TLS'en) die schuilen in de isolatie en het metaal. Soms besluit een defect af te stemmen op dezelfde frequentie als de radio. Wanneer dit gebeurt, raakt de radio afgeleid. Hij verliest zijn energie aan het defect, en het signaal vervaagt. Dit wordt "relaxatie" genoemd, en het is de vijand van quantumcomputing.

Lange tijd dachten wetenschappers dat deze defecten vooral stationair waren. Ze geloofden dat als je naar een defect keek, het daar urenlang zou blijven zitten, of misschien langzaam zou driften als een wolk in de lucht. Als je de defecten wilde in kaart brengen en hoe ze bewogen, moest je urenlang de radiofrequenties scannen. Het was alsof je een stad probeerde in kaart te brengen door er slechts één keer per dag doorheen te wandelen; je zou alle files en de mensen die rondrennen missen.

De Doorbraak van de "Slimme Camera"

De onderzoekers in dit artikel, werkend met apparaten gebouwd bij MIT en de University of Wisconsin, besloten een betere manier te bouwen om de spoken te observeren. Ze gebruikten een speciaal type qubit dat zijn frequentie on the fly kan veranderen, zoals een radio die direct op elke zender kan afstemmen. Ze gebruikten ook een superkrachtige computerchip genaamd een FPGA (Field-Programmable Gate Array) om als het brein van de operatie te fungeren.

In plaats van alleen maar lang op één plek te staren, is hun systeem "adaptief". Stel je voor dat je een spelletje "warm en koud" speelt om een verborgen object te vinden. Een normale speler controleert misschien één plek, wacht een minuut, en controleert dan een andere plek. Dit nieuwe systeem is als een genie die, na elke enkele gok, direct berekent waar het object het meest waarschijnlijk als volgende zal zijn en daar direct naartoe springt.

Ze gebruikten deze methode om het frequentiebereik van de qubit te scannen. Elke keer dat ze een frequentie controleerden, mat het systeem hoe snel de qubit zijn energie verloor. Als het energieverlies piekte, betekende dit dat er een defect aanwezig was. Omdat het systeem zo snel was, kon het in minder dan een seconde een "snapshot" maken van het gehele frequentiebereik. Door dit steeds opnieuw te doen, maakten ze een film van de defecten in actie.

De Verrassing: De Geesten zijn Hyperactief

Toen ze de film bekeken, waren de resultaten schokkend. Ze ontdekten twee hoofdtypen van " spookachtig" gedrag dat veel sneller gebeurde dan verwacht.

1. De Telegraafschakelaar:
Sommige defecten gedroegen zich als een lichtschakelaar die door een nerveuze hand aan en uit wordt geklikt. Het defect zat op één frequentie, waardoor de qubit energie verloor, en dan plotseling — poef! — sprong het naar een andere frequentie. De onderzoekers maten dat deze sprongen gebeurden met een karakteristieke tijd van ongeveer 2,2 seconden.

Denk aan een vuurtorenstraal die plotseling naar een andere richting klapt. In het verleden dachten wetenschappers dat deze schakelingen uren duurden. Ontdekken dat ze in seconden gebeuren, betekent dat de omgeving van de quantumcomputer veel chaotischer is dan we dachten. Het is alsof je beseft dat de kamer waarin je zit eigenlijk vol zit met mensen die constant van stoel naar stoel springen, in plaats van gewoon stil te zitten.

2. De Dronken Wandeling (Spectrale Diffusie):
Andere defecten sprongen niet alleen; ze dwaalden rond. Ze dreven langzaam over het frequentiespectrum, zoals een dronken persoon die struikelend door een straat loopt. De onderzoekers maten hoe snel ze dreven en vonden een "diffusiviteit" (een maatstaf voor hoe snel ze dwalen) van ongeveer 0,9 MHz² s⁻¹.

Hier komt de echte klapper: deze drijfsnelheid was ongeveer 300 keer sneller dan wat eerder in experimenten was gezien die uren duurden om te voltooien. Het bleek dat de trage, urenlange metingen het beeld eigenlijk "vervaagden". Door alles over een lange tijd uit te middelen, hadden wetenschappers gemist dat de defecten eigenlijk razendsnel rondgingen. Het is als het kijken naar een snelle auto door een beslagen raam; als je heel lang kijkt, ziet de auto er slechts uit als een wazige veeg. Maar als je een snelle camera hebt, zie je hem racen.

Waarom dit ertoe doet voor de computer van jouw toekomst

Je vraagt je misschien af: "En dus? Het is maar een paar seconden sneller." Maar in de wereld van quantumcomputing is timing alles.

De onderzoekers controleerden ook of deze snel bewegende spoken daadwerkelijk fouten veroorzaakten in de logica van de computer. Ze voerden een test uit genaamd "randomized benchmarking", wat een soort stresstest is voor het brein van de computer. Ze vonden een sterke connectie: wanneer een defect actief was en de qubit snel energie liet verliezen, maakte de computer meer fouten in zijn berekeningen. De correlatie was sterk, met een waarde van 0,618, wat betekent dat de spoken absoluut de boel verzieken.

Dit verandert de manier waarop we quantumcomputers bouwen en repareren volledig. Lange tijd was het plan om deze computers elke paar uur te kalibreren (af te stellen). Maar als de defecten elke paar seconden rondspringen, is het afstellen van de computer elke paar uur alsof je een automotor probeert te repareren terwijl de auto met 100 km/u rijdt. Je gaat het probleem missen.

Het artikel suggereert dat we een nieuwe manier van denken nodig hebben. In plaats van de computer één keer per dag te controleren, moeten we hem misschien constant, in real-time, controleren. De onderzoekers lieten zien dat hun snelle "slimme camera" gebruikt kan worden om deze problemen op te sporen terwijl ze gebeuren. Als het systeem ziet dat een defect te veel problemen veroorzaakt, kan het de berekening pauzeren of de frequentie aanpassen om de geest volledig te vermijden.

De Kern van het Verhaal

Dit artikel heeft niet alleen een nieuw type defect gevonden; het heeft ontdekt dat de defecten die we al kenden veel energieker en onvoorspelbaarder zijn dan we ooit hadden vermoed. Het zijn geen stationaire spoken; het zijn hyperactieve dansers.

De onderzoekers bewezen dat we, door gebruik te maken van snelle, adaptieve metingen, deze dansen in real-time kunnen zien. Ze ontkrachtten het idee dat deze snelle bewegingen slechts een toevalstreffer of een fout in de apparatuur zijn; ze zagen hetzelfde gedrag in twee verschillende apparaten, gebouwd in twee verschillende laboratoria. Ze hebben het probleem van de defecten nog niet opgelost — we weten nog steeds niet precies waar deze defecten van gemaakt zijn of hoe we ze volledig kunnen elimineren. Maar ze hebben ons de eerste heldere, hogesnelheidskaart gegeven van waar ze zijn en hoe ze bewegen.

Het is een beetje alsof je ontdekt dat de "ruis" op een oude tv niet zomaar willekeurige ruis is, maar een heleboel kleine, snel bewegende wezentjes. Nu we weten dat ze er zijn en weten hoe snel ze bewegen, kunnen we eindelijk beginnen met het bouwen van betere schilden om te voorkomen dat ze onze show verpesten. Voor de toekomst van quantumcomputing is dit een enorme stap voorwaarts: we kunnen de spoken niet langer negeren, maar nu hebben we eindelijk de middelen om ze te vangen.