Characterization of drive-induced unwanted state transitions in superconducting circuits

Na busca para construir um computador quântico, cientistas correm para dominar o comportamento da matéria em suas menores escalas. Uma das ferramentas mais promissoras para essa tarefa é o circuito supercondutor, um minúsculo laço eletrônico feito de materiais que conduzem eletricidade sem qualquer resistência quando resfriados a temperaturas próximas ao zero absoluto. Esses circuitos atuam como átomos artificiais, capazes de manter informações em um estado de superposição quântica, onde podem existir em múltiplas configurações simultaneamente. Para tornar esses circuitos úteis, os pesquisadores devem ser capazes de controlá-los com extrema precisão, usando pulsos de micro-ondas para inverter seus estados, realizar cálculos e ler os resultados. No entanto, à medida que essas máquinas se tornam mais complexas, um problema persistente emerge: os próprios sinais usados para controlar os circuitos podem, por vezes, fazer com que eles apresentem mau funcionamento, saltando para estados indesejados e perdendo a informação que deveriam manter. Esse problema é um grande gargalo, limitando o quão rápido e com quanta precisão essas máquinas quânticas podem operar.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade Yale mapeou agora exatamente como e por que esses mau funcionamentos ocorrem. Ao submeter um tipo específico de circuito supercondutor, conhecido como transmon, a uma ampla gama de frequências e níveis de potência de micro-ondas, eles descobriram que as transições de estado indesejadas não são causadas por um único erro, mas por três mecanismos físicos distintos. O primeiro mecanismo envolve o acionamento por micro-ondas sintonizando acidentalmente o circuito em ressonância com defeitos parasitários invisíveis nos materiais ao seu redor. O segundo é uma propriedade intrínseca do próprio circuito, onde o acionamento força o sistema a absorver múltiplos fótons de uma só vez, empurrando-o para estados de alta energia que ele nunca deveria alcançar. O terceiro mecanismo é uma forma de espalhamento, onde o acionamento faz com que o circuito mude de estado enquanto libera o excesso de energia em ondas eletromagnéticas errantes presas dentro da estrutura do dispositivo.

Os pesquisadores abordaram este problema como cartógrafos mapeando uma paisagem perigosa. Eles montaram um experimento onde prepararam seu circuito em um estado conhecido e então o bombardearam com um pulso de "bombeamento" de micro-ondas que variava tanto em frequência quanto em potência. Eles então mediram onde o circuito terminou. Ao varrer a frequência de acionamento através de uma vasta gama, de aproximadamente 2,8 GHz a 11,8 GHz, e ajustar a potência, eles geraram um mapa detalhado de cada maneira possível de desviar o circuito do curso. Este mapa revelou um terreno complexo de ressonâncias, aparecendo como linhas brilhantes e manchas nebulosas onde a probabilidade de um erro disparava. O objetivo da equipe era classificar essas características em suas três categorias, compreendendo a causa raiz de cada uma para que designs futuros pudessem evitá-las.

A primeira categoria de problemas, que os pesquisadores identificaram como troca de energia ressonante, comporta-se de forma diferente das outras. Essas transições não dependem da frequência específica das micro-ondas, mas sim de quanto o acionamento desloca os níveis de energia do circuito. Quando um sinal forte de micro-ondas é aplicado, ele empurra a frequência natural do circuito para cima ou para baixo, um fenômeno conhecido como deslocamento ac-Stark. Se esse deslocamento move a frequência do circuito para coincidir com a de um pequeno defeito oculto no material — frequentemente chamado de sistema de dois níveis — o circuito pode subitamente descarregar sua energia nesse defeito. Os pesquisadores observaram isso monitorando como o circuito decaía ao longo do tempo. Eles descobriram que esses defeitos não são estáticos; eles derivam e alternam entre diferentes frequências ao longo de períodos de minutos ou horas, criando um alvo móvel que é difícil de prever. Este mecanismo é uma causa primária de perda de energia, limitando por quanto tempo a informação quântica pode sobreviver.

A segunda categoria consiste em transições que estão integradas no próprio design do circuito. Mesmo que o dispositivo fosse perfeitamente isolado do mundo exterior, o acionamento por micro-ondas poderia forçar o circuito a absorver dois ou mais fótons ao mesmo tempo. Como o circuito é não-linear, o que significa que sua resposta muda dependendo de seu estado, ele pode saltar diretamente de seu estado fundamental para um estado muito mais alto e não computacional ao engolir múltiplos fótons de acionamento em um único evento. Os pesquisadores usaram simulações computacionais avançadas baseadas nas leis da mecânica quântica para prever exatamente onde esses saltos ocorreriam. As simulações corresponderam aos dados experimentais de forma notável, confirmando que essas transições são uma característica inerente da física do circuito. Os pesquisadores observaram que esses saltos tornam-se "nebulosos" ou espalhados porque a carga elétrica interna do circuito deriva ligeiramente ao longo do tempo, obscurecendo as condições exatas necessárias para o salto ocorrer.

A terceira categoria envolve a interação do circuito com o ambiente eletromagnético criado pela estrutura do dispositivo. Quando o acionamento por micro-ondas atinge o circuito, ele pode sofrer espalhamento, alterando o estado do circuito enquanto simultaneamente excita uma onda eletromagnética errante presa na estrutura metálica ou no invólucro que envolve o chip. Essas ondas errantes atuam como ressonadores ocultos e, se sua frequência coincidir com a diferença de energia criada pelo evento de espalhamento, a transição torna-se altamente provável. Os pesquisadores descobriram que esses modos errantes podem existir em frequências muito superiores à própria frequência de operação do circuito, alcançando até 28 GHz. Ao realizar simulações eletromagnéticas de todo o pacote do dispositivo, eles foram capazes de identificar as formas e localizações específicas desses modos errantes, mostrando que o layout físico do dispositivo desempenha um papel crítico na criação desses erros.

Para distinguir entre essas três causas, a equipe desenvolveu um método sistemático de eliminação. Se uma transição aparecia independentemente da frequência de acionamento e dependia apenas do deslocamento induzido pela potência, ela era atribuída aos defeitos de material. Se a transição aparecia nas simulações do circuito isolado, era classificada como um evento multifotônico intrínseco. Qualquer transição restante que não pudesse ser explicada pelo circuito sozinho foi identificada como eventos de espalhamento inelástico envolvendo o ambiente externo. Essa classificação permitiu que eles apontassem a origem de quase todos os erros observados no experimento. Eles descobriram que, embora algumas transições fossem causadas pelo comportamento imprevisível de defeitos de material, a maioria dos padrões complexos observados podia ser prevista simulando a interação do circuito com seu ambiente eletromagnético.

As implicações deste trabalho estendem-se para além de um único experimento. Os pesquisadores demonstraram que, ao compreender os mecanismos específicos por trás desses erros, engenheiros podem fazer escolhas informadas para evitá-los. Por exemplo, eles mostraram que certas frequências de acionamento são muito mais seguras do que outras, oferecendo "janelas" onde o circuito pode ser controlado sem desencadear essas transições indesejadas. Eles também destacaram que o design do invólucro do dispositivo é tão importante quanto o design do próprio circuito, pois a estrutura metálica pode abrigar modos ressonantes que sabotam a operação. Embora os defeitos microscópicos nos materiais continuem sendo um desafio que requer melhores técnicas de fabricação, o ambiente eletromagnético pode ser projetado e simulado para minimizar seu impacto.

Este estudo fornece uma estrutura abrangente para diagnosticar e mitigar os erros que assolam os circuitos quânticos supercondutores. Ao separar as causas de falha em categorias distintas e compreensíveis, os pesquisadores ofereceram um caminho claro para melhorar a fidelidade das operações quânticas. O trabalho deles sugere que a chave para construir computadores quânticos mais confiáveis reside não apenas em fazer melhores circuitos, mas em compreender a dança complexa entre o circuito, os materiais de que é construído e as ondas eletromagnéticas que o cercam. Através de um design cuidadoso e da seleção estratégica das frequências de controle, é possível navegar em torno desses obstáculos, pavimentando o caminho para um processamento de informação quântica mais robusto e poderoso.