Adaptive Spectroscopy of Fast Two-Level-System Dynamics in Superconducting Qubits

想象一下，你正试图在音乐厅里聆听小提琴演奏出的一个完美、单一的音符。现在，想象这个大厅里充满了成千上万个微小的、看不见的幽灵。这些幽灵并不恐怖，它们只是非常坐立不安。每隔几秒钟，其中一个幽灵可能会跳到小提琴弦上，让音调发生极其微小的变化，或者让声音比预想中更快地消散。在量子计算的世界里，这些“幽灵”是真实存在的。它们被称为双能级系统（Two-Level Systems, TLS），是隐藏在构成量子计算机材料中的微小缺陷。

量子计算是下一波技术飞跃，承诺解决当今超级计算机无法解决的问题。它们使用“量子比特”（qubits）来进行数学运算。但量子比特极其脆弱。如果量子比特丢失了能量或被噪声干扰而产生混乱，计算就会失败。多年来，科学家们一直知道这些 TLS 缺陷是导致量子比特丢失能量并产生错误的主要原因。问题在于，这些缺陷非常狡猾。它们会移动、改变频率，并且忽开忽闭。直到现在，用于研究它们的工具就像是用一部每小时只能拍一张照片的相机去拍摄一只蜂鸟。等照片冲洗出来时，鸟儿已经移动了、变色了，并且飞走了。我们知道幽灵在那里，但我们无法抓到它们现行。

这就是一群研究人员带着一个聪明的技巧登场的地方。他们为这些量子幽灵制造了一个“超高速相机”。他们不再等待数小时去观察一个缺陷在做什么，而是使用了一个智能的自适应系统，每秒钟更新其预测达数千次。通过这种新方法，他们发现这些缺陷比我们想象的要活跃得多。他们发现，有些缺陷在短短几秒钟内就会改变行为，而另一些则像是在回家路上醉酒徘徊的人一样四处漂移，移动速度比以往任何人看到的都要快。

这是关于他们发现的故事，用一个好奇青少年的语言来讲述。

机器中的幽灵

把超导量子比特想象成一个非常敏感的广播电台。它以特定的频率进行广播，比如 5.1 吉赫兹（GHz）。为了完成工作，它需要保持在这个精确的频率上。但在电台内部，在绝缘层和金属中潜伏着微小的、看不见的“缺陷”（即 TLS）。有时，一个缺陷决定调频到与电台相同的频率。这时，电台就会分心。它会将能量损失给这个缺陷，导致信号减弱。这被称为“弛豫”（relaxation），它是量子计算的敌人。

长期以来，科学家们认为这些缺陷主要是静止不动的。他们认为，如果你观察一个缺陷，它会在原地停留数小时，或者像天空中的云一样缓慢漂移。如果你想绘制出这些缺陷的位置和移动轨迹，你必须花费数小时来扫描无线电频率。这就像每天只在城市里走一次来绘制地图一样；你会错过所有的交通拥堵和奔跑的人群。

“智能相机”的突破

来自麻省理工学院（MIT）和威斯康星大学的研究人员决定建立一种更好的方式来观察这些幽灵。他们使用了一种特殊的量子比特，这种量子比特可以随时改变其频率，就像一个可以瞬间调到任何电台的收音机。他们还使用了一个名为 FPGA（现场可编程门阵列）的超快计算机芯片来充当操作的大脑。

这个系统不是仅仅长时间盯着一个点看，而是具有“自适应性”。想象一下你在玩“靠近还是远离”（Hot and Cold）的游戏来寻找隐藏的物体。普通的玩家可能会检查一个位置，等一分钟，然后再检查另一个位置。而这个新系统就像一个天才玩家，在每一次猜测之后，都会立即计算出物体下一步最可能出现的位置，并立即跳转过去。

他们利用这种方法来扫描量子比特的频率范围。每当他们检查一个频率时，系统都会测量量子比特丢失能量的速度。如果能量损失激增，就意味着那里有一个缺陷。因为系统非常快，它可以用不到一秒钟的时间对整个频率范围进行一次“快照”。通过不断重复这一过程，他们制作了一部关于缺陷动态变化的电影。

惊喜：幽灵们极其活跃

当他们观看这部电影时，结果令人震惊。他们发现有两种主要的“幽灵式”行为，其发生速度比任何人预期的都要快。

1. 电报开关（The Telegraph Switch）：
有些缺陷的表现就像是一个被紧张的手不停拨动的灯开关。缺陷会停留在某个频率，导致量子比特丢失能量，然后突然——噗！——它会跳到另一个频率。研究人员测量到，这些跳跃发生的特征时间约为 2.2 秒。

把它想象成一束灯塔的光束突然转向了另一个方向。在过去，科学家认为这些切换发生在数小时之内。发现它们发生在几秒钟内意味着量子计算机的环境比我们想象的要混乱得多。这就像意识到你坐着的房间里其实挤满了不断从一把椅子跳到另一把椅子上的人，而不是静静地坐着。

2. 酒后蹒跚（谱扩散/Spectral Diffusion）：
其他一些缺陷不仅是跳跃，它们还会游荡。它们在频率谱上缓慢漂移，就像一个在街上踉踉跄跄的醉汉。研究人员测量了它们的漂移速度，发现其“扩散率”（衡量游荡快慢的指标）约为 0.9 MHz² s⁻¹。

更关键的是：这种漂移速度比以往那些耗时数小时才能完成的实验中所观察到的速度快了约 300 倍。事实证明，那些长达数小时的测量实际上“模糊”了画面。通过在很长时间内进行平均，科学家们忽略了这些缺陷实际上正在快速移动的事实。这就像透过一层雾蒙蒙的窗户看一辆快速行驶的汽车；如果你只看很长时间，车看起来就像一个模糊的痕迹。但如果你有一台快速的相机，你就能看到它在疾驰。

这为什么对你的未来计算机很重要

你可能会问：“那又怎样？只是快了几秒钟而已。”但在量子计算的世界里，时机就是一切。

研究人员还检查了这些快速移动的幽灵是否真的会导致逻辑错误。他们进行了一项名为“随机基准测试”（randomized benchmarking）的测试，这就像是对计算机大脑进行的压力测试。他们发现了一个强烈的联系：当一个缺陷处于活跃状态并导致量子比特快速丢失能量时，计算机在计算时出错的概率就会增加。这种相关性非常强，数值为 0.618，这意味着这些幽灵确实在干扰工作。

这改变了我们构建和修复量子计算机的游戏规则。长期以来，校准（调优）这些计算机的计划是每隔几小时进行一次。但如果缺陷每隔几秒钟就会跳动，那么每隔几小时调优一次，就像是在汽车以每小时 100 英里的速度行驶时试图修理发动机。你注定会错过问题。

该论文提出，我们需要一种新的思考方式。我们可能不需要每天检查一次计算机，而是需要进行实时监测。研究人员展示了他们的快速“智能相机”可以用来捕捉这些问题发生的瞬间。如果系统看到一个缺陷正在造成过多的麻烦，它可以暂停计算或调整频率，从而避开这个幽灵。

总结

这篇论文不仅仅是发现了一种新型缺陷；它发现我们已知的这些缺陷比我们想象的要更有活力、更不可预测。它们不是静止的幽灵，而是极其活跃的舞者。

研究人员证明，通过使用快速的自适应测量，我们可以实时观察这些舞蹈。他们排除了这些快速移动只是设备误差或偶然现象的可能性；他们在两个不同实验室建造的两种不同设备中都观察到了相同的行为。他们还没有解决这些缺陷本身的问题——我们仍然不知道这些缺陷究竟是由什么组成的，或者如何彻底消除它们。但他们为我们提供了第一个清晰的高速地图，标明了它们在哪里以及如何移动。

这有点像是发现旧电视上的“静电噪声”不仅仅是随机噪音，而是由一群微小且快速移动的生物组成的。现在既然我们知道了它们的存在以及移动的速度，我们终于可以开始制造更好的屏蔽装置，防止它们破坏我们的节目。对于量子计算的未来，这是一个巨大的进步：我们不再能忽视这些幽灵，但现在，我们终于有了捕捉它们的工具。