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

要点

以下是使用简单语言和日常类比对该论文进行的解释。

大局观：倾听量子计算机的“静电噪声”

想象你拥有一件非常精细、高科技的乐器（超导量子比特），它应该演奏出一个完美、稳定的音符。这件乐器极其敏感，哪怕是一粒尘埃落在上面，或者一阵微风吹过，音调都会瞬间改变。

科学家们想要利用许多这样协同演奏的乐器来建造一台“量子计算机”。但他们遇到了一个问题：噪声。具体来说，来自太空的不可见粒子（宇宙射线）和自然背景辐射（伽马射线）一直在不断撞击这件乐器，导致它发生“跳变”或故障。这些故障被称为电荷跳变（charge jumps）。

这篇论文讲述了一群科学家如何将他们的精细乐器搬到深地之下，看看是否能让噪声安静下来，从而清晰地听到音乐。

实验过程：深入地下

1. 地点（深层掩体）
科学家们将实验从地面实验室转移到了一个名为 NEXUS 的设施中，该设施位于费米实验室（Fermilab）一个深达 107 米（约 35 层楼高）的岩石隧道内。

• 类比： 把地球表面想象成一条繁忙的高速公路，汽车（宇宙射线）在不停地飞驰。而地下设施就像是一个深层的掩体。上方的厚重岩层充当了一个巨大的盾牌，挡住了超过 99% 试图闯入的“汽车”。

2. 屏蔽层（铅制毯子）
即使在地下，仍有一些辐射可以穿透。为了进一步测试，团队在实验装置周围建造了一个由厚铅制成的可移动“毯子”。

• 类比： 想象穿着一件厚重的铅衬里雨衣。当你穿上外套时（屏蔽关闭），你就受到了雨水（伽马射线）的保护。当你脱掉外套时（屏蔽开启），你会淋湿。科学家想观察在两种情况下，实际上有多少“雨水”落在他们的仪器上。

3. 测量（电荷跳变）
实验中的量子比特被设计成“静电计”——它们就像能够称量电荷的微型天平。当一个粒子撞击芯片时，会产生微小的电流脉冲，导致“天平”发生跳变。

• 类比： 想象一个蹦床。如果有人跳上去，它会弹跳；如果一只小苍蝇落在上面，它几乎不动。科学家们一直在观察量子蹦床上的“弹跳”（电荷跳变）。他们特别关注相关跳变（correlated jumps）——即两个不同的蹦床在同一时刻同时跳动的情况。这对量子计算机来说很糟糕，因为这意味着一个宇宙射线撞击了两个量子比特，造成了双重错误。

他们的发现

1. “雨”变轻了，但没有预想中那么多
当他们关闭铅屏蔽层时，电荷跳变的次数减少了。

• 结果： 跳变次数下降了约 2.7 倍。
• 意外之处： 科学家测量了撞击屏蔽层的辐射，发现“雨水”（伽马射线）实际上减少了 20 倍。
• 隐喻： 这就像你撑起一把能挡住 95% 雨水的雨伞，但你只感觉自己没那么湿了 30%。这告诉科学家，虽然屏蔽层挡住了外部的“雨”，但其他地方仍存在“泄漏”。机器内部本身存在一个额外的噪声源（也许来自冰箱内部的材料，或是芯片中捕获的电荷），这是铅屏蔽层无法阻挡的。

2. “寂静区”（无相关跳变）
最令人兴奋的发现发生在他们观察量子比特之间的距离时。

• 设置： 他们使用了四个量子比特。其中两个靠得很近（像邻居），另外两个离得很远（像住在街道对面的邻居）。
• 结果： 当屏蔽关闭时，科学家进行了连续 22 小时 的实验。在整个过程中，那两个距离较远（超过 3 毫米）的量子比特从未在同一时间发生跳变。
• 隐喻： 想象两个相距 10 英尺的人。如果天空中掉落一块巨大的巨石，它可能会同时砸中两人。但在这次实验中，整整一天时间里，没有任何一个“巨石”大到能同时撞击到两个遥远的量子比特。他们实现了一个“寂静区”，在这里，错误不会在不同的部分之间传播。

结论

该论文主要提出了三点结论：

1. 地下环境有帮助： 将实验移至地下显著减少了由宇宙射线引起的错误。
2. 存在谜团： 即使在深地之下并使用了铅屏蔽，噪声仍然比预期的要多。噪声不完全来自外部；设备内部仍有某些东西在产生“静电噪声”。
3. 距离很重要： 他们首次证明，如果将量子比特间隔开足够的距离（超过 3 毫米）并做好屏蔽，就可以长时间阻止“相关错误”（即一个错误引发连锁反应导致更多错误的现象）。

他们并没有声称：
论文并未声称他们已经制造出了一台可以解决问题的可用量子计算机。它也没有声称这能永久修复所有错误。它严格记录了对“静电噪声”的测量，并证明了在深地之下配合屏蔽措施，可以将“静电噪声”降低到让遥远的量子比特互不干扰的水平。

技术摘要

技术摘要：地下设施中超导量子比特相关电荷噪声的首次测量

问题陈述
电离辐射正日益被认为是导致超导量子比特退相干和相关误差的重要来源。先前的研究已经确定了电离辐射通量（特别是宇宙线射线和环境伽马射线）与量子比特能量弛豫率（$1/T_1$）以及同时发生的多个量子比特误差之间的相关性。这些相关误差对量子纠错表面码的有效性构成了挑战。虽然地表实验室受到高通量宇宙线缪子和环境伽马射线的影响，但这些来源对量子比特衬底中电荷噪声的具体贡献，以及如何缓解这些噪声，需要通过隔离地表背景来进行研究。此外，电离事件诱发衬底中电荷跳变的机制（通过电子-空穴对产生、声子扩散和电荷俘获）运行在从纳秒到数天的不同时间尺度上，因此需要长时间的监测以充分表征噪声环境。

方法论
作者将一个由四个量子比特组成的弱电荷敏感型跨子（transmon）器件（其 $E_J/E_C = 24$）从威斯康星州麦迪逊市的地表实验室转移到了费米实验室位于西北部实验地下场址（NEXUS），该处位于地下 107 米处。该深度提供的岩层覆盖层相当于 225 米水深，与海平面相比，将宇宙线缪子的通量降低了 99% 以上。

实验设置包括：

• 屏蔽： 一个模块化铅屏蔽层，为低温载荷提供 $4\pi$ 全方位覆盖，以衰减环境伽马辐射。
• 低温系统： 该器件在稀释制冷机中运行，基温为 10.5 mK，并处于洁净室环境中以最大限度减少颗粒污染。
• 辐射监测： 一个配备了过渡边缘传感器（TES）的 $Li_2MoO_4$（LMO）晶体被放置在与量子比特芯片距离 18.7 cm 的同一制冷机内，用于独立测量伽马通量和能谱。
• 测量协议： 团队采用了 Ramsey 态层析序列（$X/2 - \text{Idle} - X/2$）将量子比特岛上的偏移电荷（$n_g$）映射到激发态概率（$P_1$）。通过扫描电荷偏置并分析相位演化，研究人员检测到了感应电荷的不连续跳变。
• 数据分析： 使用滚动 $\chi^2$ 最小化算法，将层析扫描结果与基于无跳变扫描得到的模板进行拟合。该方法识别出的电荷跳变幅度在 $0.1e \le |\Delta q| \le 0.5e$ 之间。通过模拟验证，该检测方法的效率大于 70%。

研究收集了两组主要的数据库：

1. 屏蔽开启（SO）： 环境伽马通量条件。
2. 屏蔽关闭（SC）： 极低伽马通量条件（铅屏蔽已关闭）。

关键结果

• 电荷跳变率： 在屏蔽开启配置下，四个量子比特的平均电荷跳变率为 $0.51^{+0.05}_{-0.04}$ mHz；在屏蔽关闭配置下，该速率降至 $0.19^{+0.04}_{-0.3}$ mHz。
• 伽马通量相关性： LMO 检测器测得，当屏蔽关闭时，伽马通量降低因子为 $20 \pm 1$（对于能量 $>150$ keV 的射线）。然而，电荷跳变率仅下降了 2.7 倍。这一差异表明，在低背景的 SC 配置中，电荷跳变率并非由外部伽马射线主导。
• 过剩速率： 通过减去 SC 速率（考虑恒定的过剩背景），作者计算出伽马诱导的跳变率为 $0.34^{+0.07}_{-0.06}$ mHz，且在两种配置中均存在的过剩速率为 $0.17^{+0.04}_{-0.03}$ mHz。该过剩值与预期的缪子速率（约为 $0.08$ mHz/cm$^2$）以及环境伽马通量本身均不一致。
• 相关噪声： 研究测量了量子比特对之间的相关电荷跳变。对于间距小于 1 mm（分别为 340 $\mu$m 和 640 $\mu$m）的量子比特对，观察到了相关跳变。然而，对于间距大于 3 mm（具体为 3.18 mm 至 3.33 mm）的量子比特对，团队在屏蔽关闭配置下的连续 22 小时运行过程中，观察到了零个相关电荷跳变。
• 跳变幅度： 检测到的电荷跳变范围在 $0.1e$ 到 $0.5e$ 之间。

意义与主张
本文声称展示了在地下环境下运行的电荷敏感型量子比特芯片中，关于相关电荷噪声的首次测量。其主要意义在于证明了移动到地下设施可以显著降低电荷爆发事件的发生率，尽管其降低程度并不如仅靠降低缪子通量所暗示的那样剧烈，这指向了其他辐射源或内部机制。

至关重要的是，作者报告了在电荷敏感型量子比特间距超过 3 mm 的情况下，首次在接近一天的时标内消除了相关电荷噪声。这一发现对于容错量子计算具有重要意义，因为它表明在低背景环境下，通过空间分离量子比特可以有效减轻由电离辐射引起的相关误差。此外，研究结果也为将超导量子比特作为基础物理粒子探测器提供了理解，强调了表征和减轻特定辐射诱发误差机制的必要性。作者指出，在屏蔽配置下观察到的“过剩”电荷爆发的起源仍是一个悬而未决的问题，潜在候选包括俘获电荷弛豫、来自宇宙线与制冷机材料相互作用的次级粒子，或异常的局部辐射源。