了解量子处理器的性能波动

lixia01

Google AI Quantum 团队所从事的 研究领域之一是利用超导电路构建量子处理器，超导电路是实现量子比特(qubit) 的理想候选者。虽然超导电路已展示出最先进的性能，并且能够扩展到由数十个量子比特组成的中等规模的处理器，但是一个突出的挑战是稳定其性能，因为其性能可能会发生不可预测的波动。尽管在许多超导量子比特架构中都观察到了性能波动，但其起源尚不清楚，这阻碍了稳定处理器性能的进展。在本周《物理评论快报》
上发表的 “超导量子比特中能量弛豫时间的波动”中，我们使用量子比特作为其环境的探测器，以表明性能波动主要受材料缺陷的影响。这是通过研究量子比特的能量弛豫时间（T 1）来实现的。T 1 是一个流行的性能指标，它给出了量子比特从激发态到基态进行能量弛豫所需的时间长度。T 1 是工作频率和时间的函数。 在测量T 1 时，我们发现某些量子比特工作频率明显差于其他量子比特，从而形成能量弛豫热点。我们的研究表明，这些热点是由于材料缺陷造成的，缺陷本身就是量子系统，当它们的频率重叠（即“共振”）时，可以从量子比特中提取能量。令人惊讶的是，我们发现能量弛豫热点并不是静态的，而是在几分钟到几小时的时间尺度上“移动”。通过这些观察，我们得出结论，缺陷频率与量子比特共振和不共振的动态变化驱动了最显著的性能波动。
这些缺陷通常被称为两级系统 (TLS)，人们普遍认为它们存在于超导电路的材料界面上。然而，即使经过几十年的研究，它们的微观起源仍然让研究人员感到困惑。除了阐明量子比特性能波动的起源之外，我们的数据还揭示了控制缺陷动力学的物理学，这是这个难题的一个重要部分。有趣的是，从热力学论证来看，我们不会期望看到的缺陷表现出任何动力学。它们的能量比我们量子处理器中可用的热能高出大约一个数量级，因此它们应该被“冻结”。它们没有被冻结这一事实表明，它们的动力学可能是由与其他能量低得多的缺陷的相互作用驱动的，因此可以被热激活。
量子比特可用于研究单个材料缺陷（据信这些缺陷具有原子尺寸，比我们的量子比特小数百万倍）这一事实表明它们是强大的计量工具。虽然缺陷研究显然有助于解决材料物理学中尚未解决的问题，但令人惊讶的是，它对提高当今量子处理器的性能有直接影响。事实上，缺陷计量已经为我们的处理器设计和制造提供了信息，甚至为我们在量子处理器运行时避免缺陷的数学算法提供了信息。我们希望这项研究能激发人们进一步了解超导电路中的材料缺陷。