Readout failures in superconducting qubits due to TLS-defects in tunnel junctions

本文表明，隧道结中的材料缺陷会产生与 transmon 量子比特及其读出谐振器均发生强耦合的双能级系统（TLS），从而引发频率偏移，降低读出保真度并阻碍固态量子处理器的发展。

要点

想象一下，你正试图收听一个非常安静的广播电台（即量子比特），以了解它正在发送什么信息。为了清晰地听到它，你使用了一个特殊的麦克风（即读出谐振器）来接收该电台的信号。在一个理想的世界里，这个麦克风只会听到该电台的信号，从而让你获得清晰的信息图像。

然而，在超导量子计算机所处的微小且极冷的世界里，材料中潜藏着无形的“幽灵”。这些被称为TLS 缺陷（双能级系统）。可以将它们想象成隐藏在你计算机芯片线路中的微小、无形的尘埃颗粒或 rogue 开关。

问题所在：机器中的幽灵

通常，这些幽灵只会让无线电信号变得有些模糊，或者偶尔导致电台信号中断。但在这一特定实验中，研究人员发现了一种非常棘手的方式，这些幽灵能够彻底破坏你收听电台的能力。

以下是他们发现的场景：

1. 设置：你拥有你的广播电台（量子比特）和麦克风（谐振器）。它们被调谐到略有不同的频率，以便互不干扰。
2. 入侵者：线路中隐藏着一个 rogue 开关（即 TLS）。
3. 诡计：研究人员利用机械“挤压”（类似于按压芯片）来调节这个 rogue 开关的频率。
4. 碰撞：当他们以恰到好处的方式挤压芯片时，rogue 开关的频率与麦克风的频率完美匹配。

“中间人”效应

令人惊讶的是：rogue 开关并没有直接与麦克风发生碰撞。相反，它利用广播电台（量子比特）作为中间人。

可以这样理解：

• 量子比特是一座桥梁。
• TLS（幽灵）位于桥梁的一侧。
• 谐振器（麦克风）位于桥梁的另一侧。
• 即使幽灵和麦克风相距甚远，幽灵也可以通过桥梁与麦克风“交谈”。

当幽灵和麦克风被调谐到相同的音符时，它们通过桥梁彼此“交谈”得如此响亮，以至于产生了一个新的、令人困惑的信号。这被称为“有效耦合”。

结果：被破坏的信号

由于幽灵和麦克风现在正在“共舞”，麦克风的频率发生了偏移。这就像在你试图收听时，有人偷偷转动了收音机的调谐旋钮。

• 会发生什么？ 你接收到的信号不再关于量子比特的信息。它是由幽灵造成的混乱。
• 后果：计算机试图读取量子比特，但“读出”过程被破坏了。这就像试图阅读一本书，但每次你看向它时，总有人不断翻动书页并改变字体大小。你再也无法分辨故事的内容了。

混乱的“丰富景观”

研究人员还调高了实验的音量（功率）。当他们这样做时，他们看到了一个充满各种怪异相互作用的整个“动物园”。这不仅仅是一个幽灵；这就像幽灵、量子比特和麦克风同时在抛接球。他们观察到了复杂的模式，能量以奇怪的方式在它们之间跳跃（多光子跃迁），创造出一个难以预测的混乱景观。

为何这很重要

该论文得出结论，这不仅仅是一个罕见的故障。如果你拥有一台包含许多量子比特的量子计算机，那么很有可能其中一个“幽灵”会以恰好合适的方式与某个麦克风对齐，从而破坏读取过程。

这是一个提醒：即使是我们建造材料中最微小的缺陷（如芯片隧道势垒中的微小缺陷），也可能像破坏者一样发挥作用，它们隐藏在光天化日之下，破坏计算机向我们传达其“想法”的能力。

简而言之：该论文表明，材料缺陷可以劫持量子比特与其读取器之间的连接，导致计算机“误读”其自身数据。这并非因为量子比特本身损坏，而是因为一个微小的缺陷正通过量子比特秘密地与读取器“交谈”。

技术摘要

技术摘要：隧道结中 TLS 缺陷导致的超导量子比特读出失败

问题陈述
材料缺陷，特别是寄生双能级系统（TLS），是超导微电路中退相干的主要来源，阻碍了大规模固态量子处理器的实现。虽然已明确，位于约瑟夫森结隧道势垒中的 TLS 可与量子比特强耦合，从而通过避免能级交叉导致能量弛豫、退相干以及“量子比特丢失”，但本研究识别出此类缺陷干扰量子比特运行的另一种独特机制。作者调查了一种情形：量子比特结中强耦合的 TLS 并非与量子比特本身共振，而是与量子比特的读出谐振器共振。这种条件导致色散读出信号失效，而该信号是量子处理器中纠错和状态初始化的关键组成部分。

方法论
研究人员利用在硅基底上制备的可调谐 transmon 量子比特，该量子比特电容耦合至读出谐振器。实验装置采用机械应变调谐，通过压电堆叠致动器从量子比特芯片背面施加推力，以调制量子比特隧道势垒内特定 TLS 的不对称能量（$\varepsilon$）。这使得 TLS 共振频率（$f_{TLS}$）得以连续调谐。

本研究结合了：

1. 多光子光谱学：向量子比特施加不同驱动频率（$f_d$）和高功率的微波脉冲，以诱导基态与激发态之间的跃迁（包括 $|0\rangle \to |1\rangle$ 和 $|0\rangle \to |2\rangle$）。
2. 应变依赖的读出：在扫描机械应变以观察 TLS 穿过量子比特和谐振器共振的过程中，监测谐振器频率处的透射信号幅度（$|S_{21}|$）。
3. 量子模拟：使用 QuTiP 软件包分析数据。模拟包括本征值计算（用于识别跃迁能量）以及求解 Lindblad 主方程的全时间演化模拟，以考虑包含 6 个量子比特态、6 个谐振器态和 2 个 TLS 态的希尔伯特空间中的 AC-斯塔克位移和能量弛豫。

关键结果

• 有效谐振器-TLS 耦合：研究表明，当强耦合 TLS 被调谐至与读出谐振器共振时，TLS 与谐振器之间会出现强有效共振耦合（$g_{eff}$）。这种相互作用由量子比特的虚激发介导（一种“交叉共振”相互作用）。
• 读出信号退化：这种有效耦合“修饰”了谐振器态，导致谐振器频率发生显著偏移。该偏移幅度与通常用于区分量子比特态（$|0\rangle$ 与 $|1\rangle$）的色散位移（$\chi$）相当。因此，读出信号被破坏，导致读出失败。
• 多光子跃迁：高功率光谱学揭示了涉及量子比特、谐振器和 TLS 的丰富多光子跃迁图景。数据显示出倾斜的跃迁线（由于应变可调性），这些线在谐振器频率处相交，证实了频率偏移的起源。
• 耦合强度表征：测得的有效耦合强度为 $g_{eff} = g_r \cdot g_x / \delta$，其中 $g_r$ 是谐振器 - 量子比特耦合，$g_x$ 是横向量子比特-TLS 耦合，$\delta$ 是失谐量。对于所研究的样品，在高达 500 MHz 的失谐量下，$g_{eff}$ 超过 1.5 MHz。
• 纵向耦合限制：作者将数据拟合以包含 TLS 与量子比特临界电流之间潜在的纵向耦合（$g_z$）。未检测到纵向耦合，估计检测阈值为 $g_z \gtrsim 3$ MHz，这与通量量子比特和相位量子比特中的先前发现一致。

意义与主张
该论文声称识别出一种特定机制，即材料缺陷可导致量子比特读出失败，这与 TLS 引起的众所周知的量子比特退相干不同。作者断言，这种 TLS 通过量子比特耦合至读出谐振器的“交叉共振”相互作用是量子处理器中误差的重要来源。

研究结果表明，这一问题并非罕见；鉴于隧道势垒中 TLS 的谱密度，强耦合结-TLS 与读出谐振器共振的概率，与强耦合 TLS 导致量子比特无法运行的概率相当。作者得出结论，这种机制可能是某些量子比特中观察到过度读出误差的原因，并对将信息编码在谐振器态中的玻色子或猫态量子比特构成挑战。这项工作强调了在制造量子比特时进行系统性研究以理解和抑制缺陷的必要性，从而实现功能完备的固态量子处理器。