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

技术摘要：多比特超导器件中相关准粒子隧穿事件的实时检测

问题陈述
约瑟夫森结（Josephson junctions）中的准粒子（Quasiparticle, QP）隧穿是超导量子电路中导致退相干和相关误差的重要来源。尽管近年来的材料改进增强了量子比特的相干性，但随着量子处理器的规模化，理解并减轻由准粒子引起的误差（特别是产生时空相关误差的“爆发”现象）变得愈发紧迫。这些爆发现象违反了表面码等量子纠错码的假设。此类爆发通常归因于电离辐射（宇宙射线、放射性物质）或声子应力释放，这些因素会同时降低多个量子比特的弛豫时间。目前存在一个关键的技术空白，即无法在单个设备上实时检测此类事件，以区分无相关的背景隧穿与相关的爆发事件，并识别其物理起源（例如，电离事件与仅由声子引起的事件）。

方法论
作者开发了一种实时检测方案，该方案使用两个具有中度电荷敏感性的 Transmon 量子比特（QPD1 和 QPD2），它们共同安置在单个硅芯片上，并耦合到一个公共共面波导中。

• 器件架构： 这两个 Transmon 间隔 1.5 mm，共享相同的电容几何结构，但具有不同的结面积。它们采用铝约瑟夫森结在硅衬底上制造，并配有铝地平面。器件被封装在带有高能辐射排水滤波器（以抑制外部高频辐射）的铟密封铜腔中。
• 检测机制： 系统利用相干微波散射。一个连续驱动波被施加在量子比特的跃迁频率处，该频率取决于超导岛上的电荷宇称（$P = \pm 1$）。当准粒子在岛上或岛外隧穿时，电荷宇称发生翻转，导致量子比特的跃迁频率发生瞬时偏移。
• 测量协议： 研究人员通过波导持续监测传输场。通过在宇称相关的跃迁频率（$\omega^\pm_{01}$）处进行数字解调，可以分辨出对应于偶/奇电荷宇称状态的两个离散信号电平之间的突变。
• 数据分析： 时间迹（Time traces）以 100 $\mu$s 的分箱大小进行采集。作者采用阈值协议来识别切换事件，并使用核密度估计（KDE）来区分基线切换与“爆发”区间（定义为事件间隔小于 5 ms 的序列）。研究人员对爆发计数时间序列进行了互相关分析，以确定设备间的相关性。

主要贡献与结果

1. 准粒子隧穿的实时检测： 本研究成功演示了以数十微秒的时间分辨率实时检测单个准粒子隧穿事件。背景隧穿率测量结果处于单赫兹水平（$\Gamma^{(1)}_{slow} \approx 5.28$ s$^{-1}$ 且 $\Gamma^{(2)}_{slow} \approx 3.61$ s$^{-1}$）。
2. 爆发机制的识别： 作者识别出了间歇性的“准粒子爆发”，在此期间，隧穿率增加了约三个数量级（高达 $\sim 4000$ s$^{-1}$）。这些爆发具有约 7 ms 的特征寿命。
3. 相关性分析：
   • 无相关背景： 在爆发区间之外，切换事件可以用独立的泊松过程描述，两个器件之间没有可测量的时域相关性。
   • 相关爆发： 显著比例的爆发（QPD1 爆发中的 47% 和 QPD2 爆发中的 76%）在两个检测器中同时发生。互相关分析（$R_{12}(\tau)$）在零延迟处显示出一个显著峰值，证实了跨设备的时域相关性。
   • 无相关爆发： 部分爆发仅在一个检测器中发生，表明并非所有的爆发事件都是空间相关的。
4. 偏移电荷移动事件： 作者识别出一类罕见的、伴随有效偏移电荷（$n_g$）发生离散偏移的关联爆发（对于共时事件发生率为 $\sim 0.43$ h$^{-1}$）。这种偏移表现为 IQ 平面内宇称态簇的位移以及宇称分裂的变化。这些事件与扰动局部静电环境的电离辐射事件相一致。
5. 机制辨析： 结果表明，虽然某些爆发伴随着电荷偏移（可能是电离事件），但许多相关爆发在没有检测到电荷偏移的情况下发生。这暗示了声子介导的对破裂过程（不改变电荷景观）也导致了相关的准粒子动力学。

意义与主张
本文建立了一种实用的、可扩展的方法，用于识别超导电路中的准粒子爆发，并区分其相关性与空间结构。作者声称，该方法通过提供一种超越瞬态相干时间退化测量能力的诊断工具，为抑制超导量子处理器中的相关误差开辟了道路。通过解析单个隧穿事件，该方法为评估诸如能隙工程和声子陷阱等缓解策略提供了更灵敏的基准。这项工作强调，相关误差可能源于多种物理机制（电离辐射和声子应力），因此需要多方面的手段来应对大规模量子处理器中的误差缓解。作者指出，虽然目前的设置在两个设备之间提供了空间分辨率，但集成更多检测器将能进一步增强对这些事件的空间映射能力。