Two-Level System Spectroscopy from Correlated Multilevel Relaxation in Superconducting Qubits

Resumo Técnico: Espectroscopia de Sistemas de Dois Níveis via Relaxação Multinível Correlacionada em Qubits Supercondutores

Problema
A preservação da coerência quântica é um dos maiores desafios para a computação quântica escalável. Em transmons (um tipo de qubit supercondutor), a perda de energia (relaxação) e o desfasamento são frequentemente limitados por Sistemas de Dois Níveis (TLSs) — defeitos microscópicos presentes em dielétricos amorfo e interfaces de materiais.

Tradicionalmente, para identificar e caracterizar esses defeitos, é necessário sintonizar a frequência do qubit (usando fluxo magnético) ou aplicar deslocamentos de Stark para que a transição do qubit entre em ressonância com o TLS. No entanto, arquiteturas escaláveis preferem transmons de frequência fixa, que evitam a complexidade de controle e a sensibilidade ao ruído de fluxo, mas que dificultam a identificação direta de TLSs individuais.

Metodologia
Os autores propõem um novo método de espectroscopia projetado especificamente para transmons de frequência fixa, baseado na relaxação multinível. Em vez de monitorar apenas a transição fundamental ($|0\rangle \leftrightarrow |1\rangle$), o protocolo utiliza os três primeiros níveis de energia do transmon ($|0\rangle$, $|1\rangle$ e $|2\rangle$):

1. Preparação e Medição: O sistema é preparado repetidamente no segundo estado excitado ($|2\rangle$).
2. Extração de Taxas de Decaimento: Através de uma leitura de três níveis (qutrit), os pesquisadores extraem simultaneamente os tempos de relaxação do primeiro estado excitado ($T_{1e}$, transição $|1\rangle \to |0\rangle$) e do segundo estado excitado ($T_{1f}$, transição $|2\rangle \to |1\rangle$).
3. Análise de Correlação: O método baseia-se na observação de como as taxas de decaimento ($\Gamma_{10}$ e $\Gamma_{21}$) flutuam no tempo. Se um único TLS estiver localizado entre as frequências de transição $\omega_{01}$ e $\omega_{12}$, uma mudança na frequência do TLS causará uma anti-correlação: quando o TLS se aproxima de $\omega_{01}$ (aumentando a perda em $|1\rangle$), ele se afasta de $\omega_{12}$ (diminuindo a perda em $|2\rangle$), e vice-versa.

Principais Contribuições

• Espectroscopia sem Sintonização: Demonstra que é possível identificar e rastrear a frequência de TLSs sem a necessidade de sintonizar a frequência do qubit via fluxo ou campos AC-Stark.
• Identificação de Defeitos Off-Resonant: O método revela que TLSs que estão significativamente detunados (mais de 100 MHz) da transição do qubit ainda podem influenciar drasticamente a coerência devido às caudas lorentzianas de sua densidade espectral de ruído.
• Modelo de Ajuste (Fitting): Introdução de um modelo matemático que utiliza a densidade espectral de ruído de um TLS para reconstruir a trajetória de frequência do defeito ao longo do tempo.

Resultados

• Dispositivo A: Apresentou uma forte anti-correlação entre $T_{1e}$ e $T_{1f}$ durante mais de 60 horas de medição. O ajuste de um modelo de TLS único permitiu reconstruir a flutuação de frequência do defeito, mostrando um "andar" de frequência na ordem de $\sim 10$ MHz.
• Dispositivo B: Exibiu correlações mínimas e até inversões de tempo de vida ($T_{1e} < T_{1f}$), o que indicou a presença de múltiplos defeitos. O uso de um modelo de dois TLSs foi necessário para descrever com precisão o comportamento do dispositivo.
• Fidelidade de Leitura: O método utilizou uma técnica de mitigação de erro de medição (matriz de confusão) para garantir que a leitura dos três níveis fosse precisa (fidelidade de $\sim 90\%$).

Significância
Este trabalho fornece uma ferramenta diagnóstica poderosa para a engenharia de materiais em computação quântica. Ao permitir o mapeamento de defeitos em transmons de frequência fixa, o método ajuda a entender a origem microscópica da instabilidade de coerência. Além disso, a capacidade de monitorar a dinâmica de TLSs em tempo real abre caminho para estratégias de estabilização de coerência através da engenharia ativa do espectro de ruído do dispositivo.