DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-61385-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40645939
تاريخ النشر: 2025-07-11
المؤلف: P. M. Harrington وآخرون
الموضوع الرئيسي: المادة المظلمة والظواهر الكونية
الطرق
قسم “الطرق” يحدد تصميم التجربة والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون نهجًا كميًا، حيث نفذوا تجارب محكومة لجمع البيانات حول المتغيرات المحددة. تم إجراء تحليلات إحصائية باستخدام أدوات البرمجيات لضمان موثوقية وصلاحية النتائج.
تضمنت المنهجيات الرئيسية تطبيق تحليل الانحدار لتحديد العلاقات بين المتغيرات المستقلة والتابعة، بالإضافة إلى استخدام ANOVA لتقييم الفروقات عبر مجموعات متعددة. تم تحديد حجم العينة بناءً على تحليل القوة لضمان تمثيل كافٍ وأهمية إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تم تناول الاعتبارات الأخلاقية، حيث تمت الموافقة على جميع الإجراءات من قبل مجلس المراجعة المؤسسية المعني.
بشكل عام، كانت الطرق المستخدمة قوية ومصممة لمعالجة أسئلة البحث بفعالية، مما يوفر أساسًا قويًا للنتائج والاستنتاجات اللاحقة المقدمة في الدراسة.
النتائج
في هذه الدراسة، بحثنا في التفاعل بين الأشعة الكونية ومصفوفة الكيوبتات التي تتكون من 10 كيوبتات ترانسومون ذات تردد ثابت. استخدم التجربة كاشفات إشعاع متلألئ لمراقبة استرخاء الكيوبتات بشكل مستمر وتحديد الجسيمات الكوزمو جينية الفردية من خلال ارتباط أحداث استرخاء الكيوبتات مع نبضات الكاشف. على مدى فترة قياس بلغت 266.5 ساعة، سجلنا 62.82 مليار دورة، وحددنا 9,460 حدث استرخاء مرتبط مكانيًا وزمنيًا. كانت معدل الحدث الملحوظ لاستراحة الكيوبتات حوالي \( r_Q = 1/(101 \pm 1 \text{ s}) \)، متسقة مع النتائج السابقة المتعلقة بتأثيرات الإشعاع المؤين.
حددنا أن الأشعة الكونية ساهمت في 17.1 ± 1.3% من جميع الأحداث المرتبطة مكانيًا وزمنيًا التي تم اكتشافها، مع معدل تزامن الأشعة الكونية قدره \( r_{\mu QS} = 1/(74 + 6 -5 \text{ min}) \). كشفت التحليلات أن ديناميات استرخاء الكيوبتات أظهرت أوقات استرداد مميزة، حيث أظهرت خمس كيوبتات استردادًا بطيئًا (حوالي 6 مللي ثانية) والخمس الأخرى استردادًا سريعًا (حوالي 0.7 مللي ثانية). تم عزو هذا التباين إلى اتجاه أقطاب تقاطع جوزيفسون بالنسبة إلى مستوى الأرض الألمنيوم. علاوة على ذلك، أشار تحليل الارتباط المكاني إلى أن الأحداث التي تتضمن الأشعة الكونية عادة ما تشرك المزيد من الكيوبتات مقارنة بتلك القادمة من مصادر غير كوزمو جينية، مما يشير إلى أن الأشعة الكونية تسبب أخطاء مرتبطة أكثر اتساعًا داخل مصفوفة الكيوبتات. بشكل عام، تؤكد النتائج على الدور المهم للأشعة الكونية في التأثير على ديناميات استرخاء الكيوبتات وتبرز التفاعل المعقد بين مصادر الإشعاع وأداء الكيوبتات.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحثنا في تأثير الأشعة الكونية على أخطاء الكيوبتات فائقة التوصيل، مستخدمين تقنيات توقيت التزامن لربط اكتشاف الأشعة الكونية بمعدلات انحلال الطاقة في مصفوفة من 10 كيوبتات ترانسومون. تشير نتائجنا إلى أن الأشعة الكونية تمثل حوالي 17.1 ± 1.3% من جميع أحداث الخطأ المرتبطة مكانيًا وزمنيًا، حيث أن الغالبية تأتي من مصادر غير كوزمو جينية مثل انبعاثات أشعة غاما القريبة. من الجدير بالذكر أن أحداث الأشعة الكونية أثرت بشكل أساسي على جميع الكيوبتات في المصفوفة، بينما أثرت المصادر غير الكوزمو جينية بشكل رئيسي على أربعة كيوبتات فقط. وهذا يشير إلى أن بيئات الإشعاع ذات الخلفية المنخفضة يمكن أن تعزز فهمنا لعرض الكيوبتات للإشعاع المؤين، مما قد يؤدي إلى تحسين استراتيجيات تصحيح الأخطاء الكمومية.
للتخفيف من آثار الإشعاع المؤين على الكيوبتات، نقترح تطوير كيوبتات فائقة التوصيل مقاومة للإشعاع من خلال تقنيات مثل حبس الفونونات والجسيمات الكمية. تضمنت إعداداتنا التجريبية مصفوفة كيوبتات مصممة بعناية، حيث تم تغيير الهيكل المكاني للفجوة الفائقة التوصيل بالقرب من تقاطعات جوزيفسون للتأثير على ديناميات الجسيمات الكمية وأوقات الاسترداد. تشير النتائج إلى أن زمن الاسترداد يتأثر بشكل كبير بمكان التقاطعات بالنسبة لمكثف الترانسومون ومستوى الأرض، مع تداعيات على تصميم الكيوبتات التي يمكن أن تتحمل بشكل أفضل الأخطاء الناتجة عن الإشعاع. هناك حاجة لمزيد من البحث لاستكشاف التأثيرات الثانوية للإشعاع المؤين على أداء الكيوبتات ولتنقيح بروتوكولات تصحيح الأخطاء التي يمكن أن تتكيف مع التحديات الفريدة التي تطرحها تفاعلات الأشعة الكونية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-61385-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40645939
Publication Date: 2025-07-11
Author(s): P. M. Harrington et al.
Primary Topic: Dark Matter and Cosmic Phenomena
Methods
The “Methods” section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. The researchers utilized a quantitative approach, implementing controlled experiments to gather data on the specified variables. Statistical analyses were conducted using software tools to ensure the reliability and validity of the results.
Key methodologies included the application of regression analysis to identify relationships between independent and dependent variables, as well as the use of ANOVA to assess differences across multiple groups. The sample size was determined based on power analysis to ensure adequate representation and statistical significance. Additionally, ethical considerations were addressed, with all procedures approved by the relevant institutional review board.
Overall, the methods employed were robust and tailored to address the research questions effectively, providing a solid foundation for the subsequent findings and conclusions presented in the study.
Results
In this study, we investigated the interaction between cosmic rays and a qubit array consisting of 10 fixed-frequency transmon qubits. The experiment utilized scintillating radiation detectors to continuously monitor qubit relaxation and identify individual cosmogenic particles through the correlation of qubit relaxation events with detector pulses. Over a measurement period of 266.5 hours, we recorded 62.82 billion cycles, identifying 9,460 spatiotemporally correlated relaxation events. The observed event rate of qubit relaxation was approximately \( r_Q = 1/(101 \pm 1 \text{ s}) \), consistent with previous findings regarding ionizing radiation impacts.
We established that cosmic rays contributed to 17.1 ± 1.3% of all spatiotemporally correlated events detected, with a cosmic-ray coincidence rate of \( r_{\mu QS} = 1/(74 + 6 -5 \text{ min}) \). The analysis revealed that qubit relaxation dynamics exhibited distinct recovery timescales, with five qubits showing a slow recovery (approximately 6 ms) and the other five a fast recovery (approximately 0.7 ms). This variation was attributed to the orientation of the Josephson junction electrodes relative to the aluminum ground plane. Furthermore, the spatial correlation analysis indicated that events involving cosmic rays typically engaged more qubits than those from non-cosmic-ray sources, suggesting that cosmic rays induce more extensive correlated errors within the qubit array. Overall, the findings underscore the significant role of cosmic rays in influencing qubit relaxation dynamics and highlight the complex interplay between radiation sources and qubit performance.
Discussion
In this study, we investigated the impact of cosmic rays on superconducting qubit errors, utilizing coincidence-timing techniques to correlate cosmic-ray detection with energy decay rates in a 10-transmon qubit array. Our findings indicate that cosmic rays account for approximately 17.1 ± 1.3% of all spatiotemporally correlated error events, with the majority stemming from non-cosmogenic sources such as nearby gamma-ray emissions. Notably, cosmic-ray events predominantly affected all qubits in the array, while non-cosmogenic sources primarily impacted only four qubits. This suggests that low-background radiation environments could enhance our understanding of qubit susceptibility to ionizing radiation, potentially leading to improved quantum error correction strategies.
To mitigate the effects of ionizing radiation on qubits, we propose the development of radiation-hardened superconducting qubits through techniques such as phonon and quasiparticle trapping. Our experimental setup involved a carefully engineered qubit array, where the spatial structure of the superconducting gap near the Josephson junctions was varied to influence quasiparticle dynamics and recovery timescales. The results indicate that the recovery timescale is significantly affected by the placement of the junctions relative to the transmon capacitor and ground plane, with implications for the design of qubits that can better withstand radiation-induced errors. Further research is necessary to explore the tertiary effects of ionizing radiation on qubit performance and to refine error correction protocols that can adapt to the unique challenges posed by cosmic-ray interactions.