First Measurement of Correlated Charge Noise in Superconducting Qubits at an Underground Facility

O essencial

A Visão Geral: Ouvindo o "Estático" de um Computador Quântico

Imagine que você tem um instrumento musical muito delicado e de alta tecnologia (um qubit supercondutor) que deveria tocar uma nota perfeita e constante. Este instrumento é tão sensível que, se um único grão de poeira pousar nele, ou se uma brisa minúscula o atingir, a nota muda de tom instantaneamente.

Cientistas querem construir um "computador quântico" usando muitos desses instrumentos tocando juntos. Mas eles têm um problema: o ruído. Especificamente, partículas invisíveis do espaço (raios cósmicos) e radiação natural de fundo (raios gama) estão constantemente atingindo o instrumento, fazendo com que ele dê um "salto" ou apresente uma falha. Esses erros são chamados de saltos de carga.

Este artigo é sobre uma equipe de cientistas que levou seu delicado instrumento para o fundo da terra para ver se conseguiam silenciar o ruído o suficiente para ouvir a música claramente.

O Experimento: Indo para o Fundo da Terra

1. A Localização (O Bunker Profundo)
Os cientistas moveram seu experimento de um laboratório na superfície para uma instalação chamada NEXUS, localizada a 107 metros (cerca de 35 andares) abaixo do solo, dentro de um túnel de rocha no Fermilab.

• A Analogia: Pense na superfície da Terra como uma rodovia movimentada onde carros (raios cósmicos) passam zunindo constantemente. A instalação subterrânea é como um bunker profundo. A rocha espessa acima atua como um escudo massivo, bloqueando mais de 99% dos "carros" que tentam entrar.

2. O Escudo (O Cobertor de Chumbo)
Mesmo no subsolo, parte da radiação consegue passar. Para testar isso ainda mais, a equipe construiu um "cobertor" móvel feito de chumbo espesso ao redor de seu experimento.

• A Analogia: Imagine usar uma capa de chuva pesada e forrada com chumbo. Quando a capa está vestida (Escudo Fechado), você está protegido da chuva (raios gama). Quando você a tira (Escudo Aberto), você se molha. Os cientistas queriam ver quanto da "chuva" estava realmente atingindo seu instrumento em ambos os cenários.

3. A Medição (Os Saltos de Carga)
Os qubits neste experimento são projetados para serem "eletrômetros" — eles são como balanças minúsculas que podem pesar carga elétrica. Quando uma partícula atinge o chip, ela cria um pequeno surto de eletricidade, fazendo a "balança" saltar.

• A Analogia: Imagine um trampolim. Se alguém pula nele, ele quica. Se uma pequena mosca pousar nele, ele mal se move. Os cientistas estavam observando os "quiques" (saltos de carga) em seu trampolim quântico. Eles estavam procurando especificamente por saltos correlacionados — momentos em que dois trampolins diferentes saltaram exatamente ao mesmo tempo. Isso é ruim para computadores quânticos porque significa que um único raio cósmico atingiu ambos, causando um erro duplo.

O Que Eles Descobriram

1. A "Chuva" Ficou Mais Leve, Mas Não Tanto Quanto o Esperado
Quando fecharam o escudo de chumbo, o número de saltos de carga diminuiu.

• O Resultado: Os saltos diminuíram por um fator de cerca de 2,7.
• A Surpresa: Os cientistas mediram a radiação atingindo o escudo e descobriram que a "chuva" (raios gama) tinha, na verdade, diminuído por um fator de 20.
• A Metáfora: É como colocar uma capa de chuva que bloqueia 95% da chuva, mas você sente apenas 30% menos umidade. Isso disse aos cientistas que, embora o escudo bloqueasse a chuva externa, havia um "vazamento" em outro lugar. Existe uma fonte excessiva de ruído vinda de dentro da própria máquina (talvez dos materiais dentro da geladeira ou cargas presas no chip) que o escudo de chumbo não conseguiu deter.

2. A Zona "Silenciosa" (Sem Saltos Correlacionados)
A descoberta mais emocionante aconteceu quando eles observaram a distância entre os qubits.

• A Configuração: Eles tinham quatro qubits. Dois estavam muito próximos (como vizinhos) e dois estavam longe um do outro (como vizinhos que moram em lados opostos de uma rua).
• O Resultado: Quando o escudo estava fechado, os cientistas realizaram o experimento por 22 horas consecutivas. Durante todo esse tempo, os dois qubits que estavam distantes (mais de 3 milímetros) nunca saltaram ao mesmo tempo.
• A Metáfora: Imagine duas pessoas paradas a 3 metros de distância. Se uma única pedra gigante cair do céu, ela pode atingir ambas. Mas, neste experimento, durante um dia inteiro, nenhum "pedregulho" foi grande o suficiente para atingir os dois qubits distantes ao mesmo tempo. Eles alcançaram uma "zona silenciosa" onde os erros não se espalharam entre partes distantes do computador.

A Conclusão

O artigo afirma três coisas principais:

1. O subsolo ajuda: Mover o experimento para o subsolo reduziu significamente os erros causados por raios cósmicos.
2. Há um mistério: Mesmo no subsolo com um escudo de chumbo, ainda há mais ruído do que o esperado. Não é apenas de fora; algo dentro do equipamento ainda está causando "estática".
3. A distância importa: Pela primeira vez, eles provaram que, se você espaçar seus bits quânticos o suficiente (mais de 3 mm) e blindá-los bem, você pode interromper os "erros correlacionados" (onde um erro causa uma reação em cadeia de erros) por longos períodos de tempo.

O que eles NÃO afirmaram:
O artigo não diz que construíram um computador quântico funcional capaz de resolver problemas ainda. Não afirma que isso resolve todos os erros para sempre. Ele relata estritamente a medição do "estático" e prova que, no subsolo com blindagem, o "estático" pode ser reduzido a um nível onde qubits distantes não interferem uns nos outros.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Primeira Medição de Ruído de Carga Correlacionado em Qubits Supercondutores em uma Instalação Subterrânea

Definição do Problema
A radiação ionizante é cada vez mais reconhecida como uma fonte significativa de decoerência e erros correlacionados em qubits supercondutores. Estudos anteriores estabeleceram uma correlação entre o fluxo de radiação ionizante (especificamente raios cósmicos e gammas ambientais) e as taxas de relaxação de energia dos qubits ($1/T_1$), bem como erros simultâneos em múltiplos qubits. Esses erros correlacionados representam um desafio para a eficácia dos códigos de superfície de correção de erros quânticos. Enquanto laboratórios ao nível do mar estão sujeitos a altos fluxos de múons de raios cósmicos e radiação gama ambiente, a contribuição específica dessas fontes para o ruído de carga no substrato do qubit, e a capacidade de mitigá-las, requer o isolamento dos fundos de nível de superfície. Além disso, os mecanismos pelos quais eventos ionizantes induzem saltos de carga no substrato (via produção de pares elétron-buraco, difusão de fônons e aprisionamento de carga) operam em escalas de tempo que variam de nanossegundos a dias, necessitando de monitoramento de longa duração para caracterizar plenamente o ambiente de ruído.

Metodologia
Os autores realizaram medições em um dispositivo transmon de quatro qubits fracamente sensível à carga (com $E_J/E_C = 24$), deslocado de um laboratório de superfície em Madison, WI, para o Northwestern EXperimental Underground Site (NEXUS) no Fermilab, localizado a 107 metros de profundidade. Esta profundidade fornece uma sobrecarga de rocha equivalente a 225 metros de água, reduzindo o fluxo de múons de raios cósmicos em mais de 99% em comparação ao nível do mar.

A configuração experimental incluiu:

• Blindagem: Uma blindagem de chumbo modular fornecendo cobertura $4\pi$ ao redor da carga útil criogênica para atenuar a radiação gama ambiental.
• Criogenia: O dispositivo operou em um refrigerador de diluição a uma temperatura base de 10,5 mK dentro de um ambiente de sala limpa para minimizar a contaminação por partículas.
• Monitoramento de Radiação: Um cristal de $Li_2MoO_4$ (LMO) instrumentado com um Sensor de Borda de Transição (TES) foi colocado a 18,7 cm do chip do qubit dentro do mesmo criostato para medir independentemente o fluxo e o espectro gama.
• Protocolo de Medição: A equipe empregou sequências de tomografia de Ramsey ($X/2 - \text{Idle} - X/2$) para mapear o deslocamento de carga ($n_g$) nas ilhas dos qubits para a probabilidade do estado excitado ($P_1$). Ao escanear o viés de carga e analisar a evolução de fase, os pesquisadores detectaram saltos descontínuos na carga induzida.
• Análise de Dados: Um algoritmo de minimização $\chi^2$ rotativo foi usado para ajustar os escaneamentos de tomografia contra um modelo derivado de escaneamentos sem saltos. Este método identificou saltos de carga com magnitudes de $0,1e \le |\Delta q| \le 0,5e$. A eficiência deste método de detecção foi validada via simulação para ser superior a 70%.

Dois conjuntos de dados primários foram coletados:

1. Blindagem Aberta (SO - Shield Open): Condições de fluxo gama ambiente.
2. Blindagem Fechada (SC - Shield Closed): Condições de fluxo gama mínimo (blindagem de chumbo fechada).

Principais Resultados

• Taxas de Salto de Carga: A taxa média de salto de carga para os quatro qubits foi medida em $0,51^{+0,05}_{-0,04}$ mHz na configuração de Blindagem Aberta e reduzida para $0,19^{+0,04}_{-0,03}$ mHz na configuração de Blindagem Fechada.
• Correlação com Fluxo Gamma: O detector LMO mediu um fator de redução de fluxo gama de $20 \pm 1$ (para energias $>150$ keV) quando a blindagem estava fechada. No entanto, a taxa de salto de carga diminuiu apenas por um fator de 2,7. Essa discrepância indica que, na configuração SC de baixo background, a taxa de salto de carga não é dominada pelo fluxo gama externo.
• Taxa de Excesso: Ao subtrair a taxa SC da taxa SO (considerando um background de excesso constante), os autores calcularam uma taxa de salto induzida por gama de $0,34^{+0,07}_{-0,06}$ mHz e uma taxa de excesso de $0,17^{+0,04}_{-0,03}$ mHz presente em ambas as configurações. Este excesso é inconsistente com as taxas de múons esperadas (que são $\sim 0,08$ mHz/cm$^2$) e com o fluxo gama ambiente isoladamente.
• Ruído Correlacionado: O estudo mediu saltos de carga correlacionados entre pares de qubits. Para qubits separados por menos de 1 mm (340 $\mu$m e 640 $\mu$m), saltos correlacionados foram observados. No entanto, para pares de qubits separados por distâncias maiores que 3 mm (especificamente de 3,18 mm a 3,33 mm), a equipe observou zero saltos de carga correlacionados durante 22 horas consecutivas de operação contínua na configuração de Blindagem Fechada.
• Magnitude dos Saltos: Os saltos de carga detectados variaram de $0,1e$ a $0,5e$.

Significância e Alegações
O artigo afirma apresentar a primeira medição de ruído de carga correlacionado em um chip de qubit sensível à carga operado em um ambiente subterrâneo. A principal significância reside na demonstração de que mover-se para uma instalação subterrânea reduz significativamente a taxa de eventos de surto de carga, embora não tão drasticamente quanto a redução no fluxo de múons isoladamente, apontando para outras fontes de radiação ou mecanismos internos.

Crucialmente, os autores relatam a primeira eliminação de ruído de carga correlacionado em qubits sensíveis à carga separados por distâncias superiores a 3 mm ao longo de escalas de tempo próximas a um dia. Esta descoberta é significativa para a computação quântica tolerante a falhas, pois sugere que a separação espacial de qubits pode mitigar eficazmente erros correlacionados induzidos por radiação ionizante em ambientes de baixo background. Adicionalmente, os resultados contribuem para a compreensão de qubits supercondutores como detectores de partículas para física fundamental, destacando a necessidade de caracterizar e mitigar mecanismos específicos de erro induzidos por radiação. Os autores observam que a origem dos surtos de carga "excedentes" observados na configuração blindada permanece uma questão aberta, com candidatos potenciais incluindo relaxação de carga aprisionada, secundárias de interações cosmogênicas com materiais do criostato ou fontes de radiação locais anômalas.