Real-time detection of correlated quasiparticle tunneling events in a multi-qubit superconducting device

Resumo Técnico: Detecção em tempo real de eventos de tunelamento de quase-partículas correlacionados em um dispositivo supercondutor de múltiplos qubits

Definição do Problema
O tunelamento de quase-partículas (QP) através de junções de Josephson é uma fonte significativa de decoerência e erros correlacionados em circuitos quânticos supercondutores. Embora melhorias recentes em materiais tenham aumentado a coerência dos qubits, o escalonamento de processadores quânticos intensificou a necessidade de compreender e mitigar erros induzidos por QP, particularmente "rajadas" (bursts) de QPs que criam erros temporais e espaciais correlacionados. Tais correlações violam as suposições de códigos de correção de erros quânticos, como o código de superfície. Essas rajadas são frequentemente atribuídas à radiação ionizante (raios cósmicos, materiais radioativos) ou liberação de estresse de fônons, que podem degradar simultaneamente os tempos de relaxação em múltiplos qubits. Existe uma lacuna crítica na capacidade de detectar esses eventos em tempo real em dispositivos individuais para distinguir entre o tunelamento de fundo não correlacionado e eventos de rajada correlacionados, além de identificar suas origens físicas (por exemplo, eventos ionizantes versus apenas de fônons).

Metodologia
Os autores desenvolveram um esquema de detecção em tempo real usando dois qubits transmon moderadamente sensíveis à carga (QPD1 e QPD2) co-alocados em um único chip de silício e acoplados a uma guia de onda coplanar comum.

• Arquitetura do Dispositivo: Os dois transmons, separados por 1,5 mm, compartilham uma geometria de capacitor, mas possuem áreas de junção diferentes. Eles são fabricados com junções de Josephson de alumínio sobre um substrato de silício com um plano de terra de alumínio. O dispositivo é blindado em um invólucro de cobre selado com índio e filtros de drenagem de radiação de alta energia para suprimir a radiação externa de alta frequência.
• Mecanismo de Detecção: O sistema utiliza espalhamento de micro-ondas coerente. Um tom de excitação contínuo é aplicado nas frequências de transição dos qubits, que dependem da paridade de carga ($P = \pm 1$). Quando uma QP tunela para dentro ou para fora de uma ilha, a paridade de carga inverte-se, causando um deslocamento instantâneo na frequência de transição do qubit.
• Protocolo de Medição: Os pesquisadores monitoram continuamente o campo transmitido através da guia de onda. Ao demodular digitalmente o sinal nas frequências de transição dependentes da paridade ($\omega^\pm_{01}$), eles resolvem transições abruptas entre dois níveis discretos de sinal correspondentes aos estados de paridade par e ímpar.
• Análise de Dados: As traças temporais foram adquiridas com um tamanho de bin de 100 $\mu$s. Os autores empregaram um protocolo de limiarização para identificar eventos de comutação e usaram estimativa de densidade de kernel (KDE) para distinguir entre a comutação de linha de base e intervalos de "rajada" (definidos como sequências de saltos com separações entre eventos $< 5$ ms). Eles realizaram análise de correlação cruzada nas séries temporais de contagem de rajadas para determinar as correlações entre os dispositivos.

Principais Contribuições e Resultados

1. Detecção em Tempo Real de Tunelamento de QP: O estudo demonstra com sucesso a detecção em tempo real de eventos individuais de tunelamento de QP com uma resolução temporal de dezenas de microssegundos. As taxas de tunelamento de fundo foram medidas no nível de um único Hertz ($\Gamma^{(1)}_{slow} \approx 5,28$ s$^{-1}$ e $\Gamma^{(2)}_{slow} \approx 3,61$ s$^{-1}$).
2. Identificação de Regimes de Rajada: Os autores identificaram "rajadas de QP" intermitentes onde a taxa de tunelamento aumenta em aproximadamente três ordens de magnitude (até $\sim 4000$ s$^{-1}$). Essas rajadas têm um tempo de vida característico de aproximadamente 7 ms.
3. Análise de Correlação:
   • Fundo Não Correlacionado: Fora dos intervalos de rajada, os eventos de comutação são bem descritos por processos Poissonianos independentes, sem correlação temporal mensurável entre os dois dispositivos.
   • Rajadas Correlacionadas: Uma parcela significativa de rajadas (47% das rajadas de QPD1 e 76% das de QPD2) ocorre coincidentemente em ambos os detectores. A análise de correlação cruzada ($R_{12}(\tau)$) mostra um pico pronunciado em atraso zero, confirmando a correlação temporal entre os dispositivos.
   • Rajadas Não Correlacionadas: Algumas rajadas ocorrem em apenas um detector, indicando que nem todos os eventos de rajada são espacialmente correlacionados.
4. Eventos de Deslocamento de Carga de Offset: Os autores identificaram uma subclasse rara de rajadas correlacionadas (ocorrendo a $\sim 0,43$ h$^{-1}$ para eventos coincidentes) acompanhada por um deslocamento discreto na carga de offset efetiva ($n_g$). Este deslocamento se manifesta como um deslocamento dos clusters de estado de paridade no plano IQ e uma mudança no desdobramento da paridade. Esses eventos são consistentes com eventos de radiação ionizante que perturbam o ambiente eletrostático local.
5. Distinção de Mecanismos: Os resultados sugerem que, embora algumas rajadas sejam acompanhadas por deslocamentos de carga (provavelmente eventos ionizantes), muitas rajadas correlacionadas ocorrem sem deslocamentos de carga detectáveis. Isso implica que processos de quebra de pares mediados por fônons, que não alteram o cenário de carga, também contribuem para a dinâmica de QP correlacionada.

Significância e Alegações
O artigo estabelece um método prático e extensível para identificar rajadas de quase-partículas em circuitos supercondutores, distinguindo entre suas correlações e estrutura espacial. Os autores afirmam que esta abordagem avança no caminho para suprimir erros correlacionados em processadores quânticos supercondutores ao fornecer uma ferramenta de diagnóstico que vai além das medições de degradação transitória do tempo de coerência. Ao resolver eventos de tunelamento individuais, o método oferece um benchmark mais sensível para avaliar estratégias de mitigação, como engenharia de gap e captura de fônons. O trabalho destaca que erros correlacionados podem surgir de múltiplos mecanismos físicos (radiação ionizante e estresse de fônons), necessitando de uma abordagem multifacetada para a mitigação de erros em processadores quânticos de larga escala. Os autores observam que, embora sua configuração atual forneça resolução espacial entre dois dispositivos, a integração de mais detectores poderia aumentar ainda mais o mapeamento espacial desses eventos.