Coulomb blockade in microscopic material defects as a source of decoherence and noise in solid-state quantum circuits
本研究确定了表现出库仑阻塞和微波驱动电荷隧穿效应的金属颗粒是固态量子电路中一种广泛存在且此前未被识别的退相干源，其影响足以与双能级系统缺陷相媲美，并为通过在制造过程中消除这些颗粒来提高器件性能提供了清晰路径。
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量子世界中的隐形噪声
想象一下，你正试图制造一台不仅仅是计算数字，而是与现实本身的织面共舞的计算机。这就是量子计算的世界，在那里，由超导金属制成的微小电路可以维持一种被称为“叠加态”的脆弱状态。但问题在于：这些量子计算机极其敏感。如果它们受到碰撞、升温，甚至仅仅是被某种类型的能量“注视”，它们就会失去魔力。这种魔力的丧失被称为退相干（decoherence），它是阻碍我们实现强大量子机器的最大敌人。
多年来，科学家们一直知道制造这些电路的材料并不完美。它们充满了微小的、肉眼看不见的缺陷。导致这种噪声的主要嫌疑对象一直是一种被称为**双能级系统（Two-Level System, TLS）**的东西。可以将 TLS 想象成材料中一个微小的、隐形的开关，它会随机地前后翻转，从而窃取量子计算机的能量。科学家们长期以来一直试图寻找并修复这些开关。但尽管他们付出了巨大的努力，量子计算机损失能量的速度仍然比预期的要快。问题依然存在：还有什么东西隐藏在阴影中，在窃取这场表演的精彩？
窃取能量的微小岛屿
在这项最新的研究中，来自英国国家物理实验室（NPL）和伦敦皇家霍洛威学院的研究团队决定对活体超导电路进行更深入的观察。他们使用了一种名为**扫描门控显微镜（scanning gate microscope）**的特殊工具，这就像一根超灵敏的、带电的针，可以在电路上方盘旋，并在不接触电路的情况下“感知”其电学景观。
他们的发现是一个此前未知的罪魁祸首：金属颗粒（metallic grains）。
请不要将用于制造这些电路的薄金属膜想象成光滑、坚实的银片，而要将其想象成由微小的、孤立的金属岛屿组成的景观，每个岛屿的宽度仅约 10 到 30 纳米（大约是几百个原子的宽度）。这些岛屿被薄薄的屏障分隔开，就像微小的护城河。在正常情况下，电子（携带电荷的粒子）无法轻易跨越这些护城河。这种现象被称为库仑阻塞（Coulomb blockade），它像一名守门人，将电子锁在特定的岛屿上。
然而，研究人员发现，用于与量子计算机通信的微波信号就像一只巨大的、隐形的手，在摇晃这些岛屿。这种摇晃给予了电子足够的能量，使它们偶尔能够通过“隧穿”（跳跃）跨越护城河。但棘手之处在于：每当一个电子跳跃时，它都会损失一点能量，而这部分能量会以热量的形式释放到量子电路中。这个过程如此连绵不断，研究人员将其比作希腊神话中的西绪福斯（Sisyphus）——这位国王被惩罚不断将巨石推上山顶，却每次都在到达顶峰时让石头滚落下来。这些“西绪福斯缺陷”不断地将能量向上推，又任其落下，从而对系统造成持续的能量消耗。
为什么这改变了一切
这项发现最令人兴奋的部分在于这些缺陷的行为方式与常见的嫌疑对象有何不同。
首先，这些“西绪福斯缺陷”是普遍存在的（ubiquitous）。团队仅扫描了三个不同电路中的几个小区域，就在到处都发现了这些金属颗粒缺陷。它们似乎与著名的双能级系统（TLS）一样常见，且同样会对计算机的性能造成破坏。
其次，也是最重要的一点，这些缺陷是与功率无关的（power-independent）。如果你调高量子计算机的“音量”（微波功率），通常的嫌疑对象（TLS）往往会达到“饱和”或被压制，从而停止产生噪声。但这些金属颗粒呢？无论你把功率调得多大，它们都会继续窃取能量。这解释了为什么有些实验尝试通过单纯提高功率来消除噪声却失败了；因为噪声并非来自那些常见的开关，而是来自这些顽固的、颗粒状的岛屿。
研究人员还指出，这些缺陷很可能是在制造过程中自然形成的，特别是在金属图案的边缘附近，那里的薄膜可能稍显粗糙，或者会有污染物沉积。他们发现，即使将设备加热到室温再冷却下来，这些缺陷依然存在，这证明它们是材料的永久特征，而非临时故障。
前行的道路
这篇论文不仅指出了问题，还提供了一张清晰的解决方案路线图。由于这些缺陷是金属薄膜在制造过程中形成的物理颗粒，因此可以通过改进材料科学来解决。作者建议，通过改进这些薄金属层的沉积方式——例如使它们更光滑、使用不同的生长技术或对其进行更好的封装——工程师可以完全消除这些微小的岛屿。
通过识别出这些“西绪福斯缺陷”是广泛存在的噪声源，这项研究挑战了“量子相干性仅受限于 TLS”的旧观念。它表明，为了制造更好的量子计算机，我们需要关注材料的微观纹理，并确保它们不存在这些微小的、窃取能量的岛屿。这提醒我们，在量子世界中，即使是最小的一粒沙，也能让一台庞大的机器停滞不前。
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