Superconducting circuits host two-level systems with lifetimes exceeding one second

In de zoektocht naar het bouwen van machines die problemen kunnen oplossen die buiten het bereik van de huidige computers liggen, wenden wetenschappers zich tot een vreemde en delicate vorm van materie: supergeleidende circuits. Dit zijn lussen van metaal die, wanneer ze worden afgekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt, elektriciteit laten stromen zonder enige weerstand. Binnen deze circuits creëren onderzoekers kunstmatige atomen genaamd qubits, die dienen als de basisunits van informatie voor quantumcomputers. In tegenstelling tot de bits in een standaardcomputer die ofwel nul of één zijn, kan een qubit in een combinatie van beide toestanden tegelijkertijd bestaan. Deze qubits zijn echter ongelooflijk fragiel. Ze worden constant gebombardeerd door hun omgeving, en zelfs de kleinste interactie kan ervoor zorgen dat ze hun informatie verliezen, een proces dat decoherentie wordt genoemd. Jarenlang heeft de wetenschappelijke gemeenschap onvermoeibaar gewerkt om deze qubits af te schermen van hun omgeving, in de hoop de tijd te verlengen dat ze hun quantumtoestand kunnen vasthouden. De heersende overtuiging was dat naarmate qubits stabieler werden, de ruisige achtergrond van hun omgeving uiteindelijk stil genoeg zou worden om te negeren.

Een team onderzoekers aan het Karlsruhe Institute of Technology in Duitsland heeft deze aanname nu uitgedaagd door te ontdekken dat de omgeving van een supergeleidend circuit veel persistenter is dan iedereen verwachtte. Met behulp van een specifiek type supergeleidend circuit, bekend als een transmon, die gemaakt is van tantaalmetaal en is afgekoeld tot extreme temperaturen, zochten de wetenschappers naar verborgen bronnen van ruis die mogelijk met hun qubits interfereren. Ze zochten naar "twee-niveau systemen", wat kleine defecten in het materiaal zijn die kunnen fungeren als miniatuur schakelaars, die tussen twee toestanden flippen en energie stelen van de qubit. Hoewel deze defecten al enige tijd bekend zijn, vonden de onderzoekers iets buitengewoons: een specifieke klasse van deze defecten die energie langer dan een seconde kan vasthouden. Dit is een verbijsterende hoeveelheid tijd in de quantumwereld, waar qubits doorgaans hun toestand verliezen in een fractie van een milliseconde.

Om deze ongrijpbare defecten te vinden, gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd quantum-jump correlatiespectroscopie. Stel je voor dat je luistert naar een enkele noot gespeeld op een viool in een stille kamer. Als de noot plotseling stopt, vraag je je misschien af waar het geluid gebleven is. In dit experiment is de qubit de viool, en de onderzoekers kijken naar het moment waarop de qubit stopt met vibreren, of "naar beneden springt" naar een lagere energietoestand. Normaal gesproken, wanneer een qubit energie verliest, verdwijnt die energie voor altijd in de omringende omgeving. Echter, de onderzoekers observeerden dat soms, nadat de qubit een foton aan energie verloor, die energie na een korte vertraging terugkeerde naar de qubit. Dit terugkeren van energie gaf aan dat de omgeving de energie niet simpelweg had geabsorbeerd, maar deze tijdelijk had opgeslagen in een langdurige toestand voordat deze de energie weer teruggaf. Door deze gebeurtenissen zorgvuldig te volgen, waren de onderzoekers in staat om drie specifieke defecten te isoleren die energie vasthielden voor duurders van honderden milliseconden tot meer dan één seconde.

De onderzoekers ontwierpen vervolgens een nieuwe methode om precies te meten hoe lang deze defecten hun energie konden vasthouden. Ze gebruikten een "pump-probe" strategie, die inhield dat ze eerst het defect exciteerden om het met energie te vullen en vervolgens wachtten om te zien hoe lang het duurde voordat die energie weglekte. Door de frequentie van de qubit net iets anders aan te passen dan de frequentie van het defect, konden ze controleren hoe sterk de twee met elkaar interageerden. Wanneer de interactie zwak was, ontdekten ze dat de defecten hun energie voor opmerkelijk lange perioden vasthielden. In feite bleef de energie bij twee van de bestudeerde defecten zelfs meer dan één seconde opgeslagen. Dit is ordes van grootte langer dan de levensduur van de qubit zelf, die doorgaans slechts ongeveer honderd microseconden duurt. Het feit dat deze defecten energie zo lang kunnen opslaan, suggereert dat ze uitzonderlijk geïsoleerd zijn van de rest van de wereld, wat hen ongelooflijk moeilijk detecteerbaar maakt met standaard meetinstrumenten.

De studie leverde ook aanwijzingen over wat deze defecten precies zouden kunnen zijn. De onderzoekers vergeleken hun metingen met een standaardmodel dat wordt gebruikt om te beschrijven hoe atomen of moleculen tussen twee posities bewegen in een vast materiaal. Dit model suggereert dat defecten die zeer langzaam bewegen en zeer zwak interageren met hun omgeving, zeer lange levensduur hebben. De gegevens uit het experiment kwamen perfect overeen met deze voorspelling, wat suggereert dat deze langdurige defecten waarschijnlijk kleine structurele imperfecties in het materiaal zijn die heel langzaam tunnelen, of bewegen, tussen twee posities. Hoewel de onderzoekers nog niet precies kunnen zeggen wat de chemische of fysieke structuur van deze defecten is, wijst het bewijs weg van andere mogelijkheden, zoals magnetische onzuiverheden of gevangen deeltjes, die anders zouden gedrag vertonen. De zwakke interactie tussen de qubit en deze defecten, gemeten in de orde van grootte van enkele duizend cycli per seconde, is consistent met het idee dat het om positionele defecten gaat die door dit standaardmodel worden beschreven.

Deze ontdekking verandert de manier waarop wetenschappers naar de omgeving van quantumcomputers kijken. Voorheen werd gedacht dat naarmate qubits beter werden, de resterende ruis kortstondig en gemakkelijk te beheren zou zijn. Nu blijkt dat de meest persistente ruis afkomstig is van deze langdurige defecten die energie voor seconden kunnen opslaan. Dit heeft belangrijke implicaties voor de toekomst van quantumfoutcorrectie, wat de methode is die wordt gebruikt om fouten in quantumcalculaties te herstellen. Als de omgeving de toestand van de qubit voor een lange tijd onthoudt, kan dit complexe patronen van fouten creëren die moeilijker te voorspellen en te corrigeren zijn. De onderzoekers zien echter ook een potentieel voordeel. Omdat deze defecten quantuminformatie zo lang kunnen vasthouden, zouden ze op een dag gebruikt kunnen worden als een vorm van geheugen binnen een quantumcircuit. De onderzoekers suggereren dat naarmate wetenschappers de kwaliteit van hun qubits blijven verbeteren, ze waarschijnlijk nog meer van deze langdurige defecten zullen tegenkomen, vergelijkbaar met een telescoop met betere lenzen die zwakkere sterren in de nachtelijke hemel onthult.

Het werk gepresenteerd in dit artikel vestigt een nieuw kader voor het begrijpen van de microscopische wereld binnen supergeleidende circuits. Het bewijst dat deze circuits kunnen fungeren als gevoelige sondes voor het detecteren van microscopische vrijheidsgraden die seconden duren, een tijdschaal die voorheen als onmogelijk werd beschouwd in deze context. Hoewel de exacte aard van deze defecten nog onderwerp is van verder onderzoek, biedt het vermogen om hun levensduur en koppelingssterkte te meten een cruciale stap naar het beheersen ervan. Of deze langdurige systemen nu worden gezien als een overlast die moet worden geëlimineerd of als een hulpbron die kan worden ingezet, hun bestaan verandert het landschap van de quantumtechnologie fundamenteel. De onderzoekers hebben een deur geopend naar een verborgen laag van de quantumomgeving, een laag die stil, persistent en vol potentieel is voor zowel uitdaging als ontdekking.