Superconducting circuits host two-level systems with lifetimes exceeding one second

在追求制造出能解决当今计算机无法处理的问题之机器的过程中，科学家们正转向一种奇异且脆弱的物质形式：超导电路。这些是金属环路，在冷却到接近绝对零度的温度时，可以允许电流无电阻地流动。在这些电路中，研究人员创造了被称为“量子比特”（qubits）的人造原子，它们是量子计算机的基本信息单位。与标准计算机中非零即一的比特不同，量子比特可以同时存在于两种状态的叠加之中。然而，这些量子比特极其脆弱。它们不断受到周围环境的轰击，即使是最微小的相互作用也会导致它们丢失信息，这一过程被称为“退相干”。多年来，科学界一直致力于屏蔽这些量子比特受到的环境干扰，希望能延长它们保持量子态的时间。普遍的观点认为，随着量子比特变得更加稳定，其环境中的噪声背景最终会变得足够安静，从而可以被忽略。

德国卡尔斯鲁厄理工学院的一个研究小组通过发现超导电路的环境比任何人预想的都要持久，挑战了这一假设。研究人员使用了一种被称为“transmon”的特殊超导电路（由钽金属制成并冷却至极低温度），寻找可能干扰量子比特的隐藏噪声源。他们正在寻找“双能级系统”（two-level systems），即材料中微小的缺陷，这些缺陷可以像微型开关一样，在两个状态之间切换并从量子比特中窃取能量。虽然这些缺陷早已为人所知，但研究人员发现了一些非凡的东西：一类特定的缺陷可以保持能量超过一秒钟。在量子世界中，这是一个惊人的时间量，因为量子比特通常在不到一毫秒的时间内就会失去其状态。

为了找到这些难以捉摸的缺陷，研究人员采用了名为“量子跃迁相关谱学”（quantum-jump correlation spectroscopy）的技术。想象一下，在安静的房间里听小提琴演奏的一个单音。如果这个音符突然停止了，你可能会纳闷声音去哪儿了。在这个实验中，量子比特就是那把小提琴，研究人员观察量子比特停止振动或“跳向”较低能量状态的时刻。通常，当量子比特失去能量时，那部分能量会永远消失在周围环境中。然而，团队观察到，有时在量子比特失去一个光子能量后，该能量会在短暂延迟后返回到量子比特中。这种能量的回归表明，环境并非仅仅吸收了能量，而是将能量暂时存储在一个长寿命的状态中，随后又将其释放。通过仔细追踪这些事件，研究人员成功分离出了三个特定的缺陷，它们保持能量的时间从数百毫秒到超过一秒不等。

随后，研究人员设计了一种新方法来精确测量这些缺陷保持能量的具体时长。他们使用了一种“泵浦-探测”（pump-probe）策略，首先激发缺陷使其充满能量，然后观察能量泄露所需的时间。通过将量子比特的频率调整为与缺陷频率略有不同，他们可以控制两者的相互作用强度。当相互作用较弱时，他们发现这些缺陷保持能量的时间非常长。事实上，在研究的两个缺陷中，能量存储时间超过了一秒。这比量子比特本身的寿命要长出好几个数量级，因为量子比特的寿命通常仅约一百微к秒。这些缺陷能够如此长时间地存储能量，表明它们与外界极其隔离，这使得它们很难用标准的测量工具检测到。

这项研究还为这些缺陷究竟是什么提供了线索。研究人员将他们的测量结果与用于描述原子或分子在固体中如何在两个位置之间移动的标准模型进行了对比。该模型表明，移动非常缓慢且与周围环境相互作用非常微弱的缺陷，应该具有非常长的寿命。实验数据完美符合这一预测，表明这些长寿命缺陷很可能是材料中极其微小的结构缺陷，它们在两个位置之间进行非常缓慢的隧穿或移动。虽然研究人员目前还无法准确说明这些缺陷的具体化学或物理结构，但证据排除了其他可能性，例如磁性杂质或捕获的粒子，因为它们的行为会有所不同。量子比特与这些缺陷之间的微弱相互作用（测量范围在每秒几千个周期）与实验所描述的位移型缺陷模型是一致的。

这一发现改变了科学家看待量子计算机环境的方式。此前，人们认为随着量子比特性能的提升，剩余的噪声将是短寿命且易于管理的。现在看来，最持久的噪声来自于这些可以存储能量数秒之久的长寿命缺陷。这对量子纠错（即用于修复量子计算中错误的方法）具有重要意义。如果环境长时间“记住”了量子比特的状态，它就会产生难以预测和纠正的复杂错误模式。然而，研究人员也看到了潜在的优势。由于这些缺陷可以保持量子信息如此长的时间，它们未来或许可以作为量子电路内的一种存储器。研究人员指出，随着科学家不断提高量子比特的质量，他们很可能会遇到更多这类长寿命缺陷，就像望远镜通过更好的镜片揭示出更暗淡的星辰一样。

本论文展示的工作为理解超导电路内部的微观世界建立了一个新的框架。它证明了这些电路可以作为敏感的探测器，用于检测持续数秒之久的微观自由度，这在以前的此类语境下被认为是无法实现的。尽管这些缺陷的确切性质仍有待进一步研究，但测量其寿命和耦合强度的能力，为控制它们提供了关键的一步。无论这些长寿命系统被视为必须消除的干扰，还是可以利用的资源，它们的存在都从根本上改变了量子技术的格局。研究人员开启了一扇通往量子环境隐藏层的大门，这一层既安静、持久，又充满了挑战与发现的潜力。