Calibration-free quantum thermometry with strain-swept two-level defects

在驱动全球最先进量子计算机的超导芯片内部，一场无声的斗争正在上演。这些机器依赖于由超导材料制成的精密电路，这些材料可以在保持比深空还要低的温度时导电且无电阻。哪怕极其微小的热量也会破坏这些电路所维持的脆弱量子态，从而导致计算错误。多年来，科学家们一直试图测量这些芯片的温度，但他们的工具存在盲点。标准的温度计位于芯片外部，测量的是冰箱的寒冷环境，却无法看到隐藏在微观屏障深处的微小局部热点，而这些屏障正是量子电路运行的地方。这些隐藏区域是微观缺陷的家园，这些缺陷是材料中微小的瑕疵，其作用类似于双向开关。这些缺陷因导致量子计算机丢失信息而臭名昭著，然而它们此前一直无法通过直接温度测量被观测到。

一组研究人员现在提出了一种方法，将这些麻烦的缺陷转化为精确的温度计，使科学家能够准确测量误差发生之处的温度。他们意识到，与其将新的传感器引入芯片，不如利用电路中已经存在的缺陷。通过仔细拉伸含有这些缺陷的材料，他们可以以可预测的方式改变缺陷的能量水平。随着材料的拉伸，缺陷会通过改变其处于激发态的频率来做出响应，这种行为直接取决于局部温度。研究人员表明，通过分析这种响应曲线的特定形状，他们可以计算出温度，而无需了解测量设备的精确灵敏度。这种方法消除了对单独校准步骤的需求，而这曾是此前尝试测量此类微型设备内部温度的主要障碍。

这项发现的核心在于研究人员如何操纵这些缺陷。他们施加了机械应变，本质上是拉伸材料，以使单个缺陷的能量在宽范围内扫过。随着能量的变化，缺陷的群体根据热力学定律在基态和激发态之间移动。研究人员发现，这种转变的曲率是具有温度唯一性的。如果温度不同，曲线的弯曲方式也会不同。至关重要的是，他们证明了即使测量设备存在未知的偏移或对比度变化，这种形状依然保持独特。在过去，这些未知因素会使得无法将温度变化与传感器的简单误差区分开来。通过在足够宽的能量范围内进行扫描，研究人员证明了温度信号在数学上是可识别的，从而将其与测量仪器的噪声分离。

为了测试该方法的有效性，团队使用一种具有已知能量特征的特定缺陷进行了详细的理论分析。他们模拟了一个测量场景，即将缺陷从 1.3 吉赫兹（GHz）拉伸到 2.69 吉赫兹。分析结果令人瞩目。在 20 毫开尔文（mK）的温度下，该方法预计精度为 0.58%。这一精度水平非常显著，因为它足以媲美最好的外部温度计，同时还具有直接位于产生量子误差的屏障内部这一优势。研究人员指出，只要测量过程持续足够长的时间以收集足够的数据，单个缺陷即可达到这种精度。分析还显示，只要能量扫描范围足够宽，能够捕捉到完整的曲率，该方法对于测量系统的某些类型漂移具有鲁棒性。

该研究还探讨了为何此前未采用这种方法。以往利用类似缺陷进行测温的尝试之所以失败，是因为它们运行在对于量子计算机的低温而言过高的能量水平。在这些较高能量下，热信号会呈指数级减弱，导致无法从背景噪声中分辨出来。新方案专门针对低能区，即缺陷对温度变化最敏感的区域。研究人员指出，为了使该方法奏效，缺陷的最小能量必须与工作温度相匹配，且应变扫描必须覆盖足够宽的范围，以使温度信号脱颖而出。他们发现，对于一个最小能量为 1.3 GHz 的缺陷，需要覆盖 2.36 GHz 的不对称偏移量才能达到必要的精度。这一特定范围对应于向拉伸材料的压电致动器施加 8 伏特的电压。

这项工作的最引人入胜之处之一在于其验证系统状态的能力。由于该方法依赖于拟合整个响应曲线的形状，因此它可以检测系统是否处于热平衡状态。如果缺陷正受到某种其他力量的驱动，或者未能与局部温度正确耦合，数据将无法拟合预期的热曲线。这提供了一种内置的检查机制，可以验证测量的有效性，这是单点测量无法提供的。研究人员展示了虽然该方法对温度高度敏感，但同时也对偏离热平衡的情况敏感，这使得科学家能够识别系统何时表现异常。然而，他们也指出，残差测试可以揭示巨大的偏离热平衡现象，但无法在所引用的精度水平下确认热平衡状态。这种能力对于理解限制量子计算机性能的微观过程至关重要。

团队还考虑了实施该协议的实际挑战。他们确定，由于该过程涉及采集数百万个数据点，缺陷必须在完成测量所需的数小时内保持稳定。他们对缺陷稳定性的分析表明，大多数缺陷在实验持续期间都能保持足够稳定。他们还检查了读取系统的要求，指出用于测量该缺陷的量子比特必须具有足够长的寿命以进行必要的测量。计算表明，现代超导量子比特符合这些要求，使得该协议在现有技术下是可行的。然而，研究人员强调，在真实设备中寻找合适的缺陷仍然是一个实验性的挑战，因为并非每个缺陷都具备正确的属性或能在要求的能量范围内被触及。

在量子计算的更广泛背景下，这项工作为诊断和改进这些机器提供了新工具。通过提供一种测量接面屏障内部局部温度的方法，科学家终于可以将热环境与困扰量子处理器的特定误差联系起来。这可能导致更好的量子芯片设计，即优化材料和结构以最大限度地减少导致退相干的热噪声。研究人员将他们的发现描述为一种“一级温度计”的候选方案，这意味着它有可能作为温度测量的标准，而无需针对其他设备进行校准。虽然仍需进一步的实验验证来确认其实际环境下的精度，但其理论框架提供了一条清晰的前行路径。将误差源转化为信息源的能力，代表了科学家处理量子系统中热问题方式的一次重大转变。

其影响不仅限于更好的温度计。通过了解缺陷位置的局部温度，研究人员可以深入了解支配超导电路行为的微观相互作用。这些知识有助于开发新材料或制造技术，以减少这些缺陷的密度或降低它们对热波动的敏感性。该方法还强调了测量科学中“可识别性”的重要性，表明通过正确的实验设计，可以在不需要外部校准的情况下解决未知参数。这一原则也可以应用于其他量子计量领域，在这些领域中，精确测量往往受限于对校准标准的依赖。

最终，这篇论文针对一个持久的量子技术问题提出了一个复杂的解决方案。它将一个微观的不完美——此前仅被视为干扰源——转化为了一个精密的传感器。研究人员制定了清晰的协议，定义了成功的必要条件，并对可以实现的精度进行了现实的评估。虽然从模拟到实验室中实际器件的旅程需要细致的实验，但潜在的回报是巨大的。一个生活在量子电路内部、测量着最关键位置温度的温度计，可能是解锁下一代稳定可靠量子计算机的关键。这项工作证明了重新思考缺陷在量子系统中作用的力量：将局限转化为发现的资源。