DOI: https://doi.org/10.1038/s41534-026-01199-x
تاريخ النشر: 2026-02-28
المؤلف: Andrew Dane وآخرون
الموضوع الرئيسي: معلومات الكم والتشفير
نظرة عامة
تتناول البحث التحدي المتمثل في التباينات الكبيرة في زمن الاسترخاء للطاقة ($T_1$) للكيوبتات الفائقة التوصيل، مما يعقد تقييم مواد الكيوبت الجديدة وطرق التصنيع. لتحسين توصيف عوامل جودة الكيوبت، يقترح المؤلفون تقنيات تتضمن تطبيق مجالات كهربائية على الأنظمة ذات المستويين (TLS) بالقرب من الكيوبتات. من خلال إدخال مجالات تيار متردد (AC) بتردد منخفض (<1 هرتز)، يقومون بتثبيت $T_1$ المقاس عن طريق المتوسط عبر تكوينات TLS المختلفة، مما يؤدي إلى تقدير قوي يصعب تحقيقه من خلال قياسات موسعة دون تطبيق مجالات. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم المؤلفون طريقة تتضمن مجالات تيار مباشر (DC) مختارة عشوائيًا لقياس $T_1$. تكشف هذه الطريقة، التي تتميز بقياسات 'عشوائية سريعة' متكررة، عن توزيع لقيم $T_1$، حيث يتماشى المتوسط التوافقي مع النتائج من قياسات AC، بينما يبرز أيضًا نطاقًا أوسع من أعمار الكيوبتات المتأثرة بتفاعلات TLS. تشمل تنفيذ هذه التقنيات للتحكم في TLS بروتوكولًا بسيطًا لتحسين $T_1$ وقياسات دقيقة لـ $T_1$ كدالة لدرجة الحرارة. بشكل عام، من المتوقع أن تعزز هذه التطورات فهم تماسك الكيوبت وتسهيل قياسات أفضل في أطر زمنية أقصر أو مع عدد أقل من الأجهزة.
طرق
في هذه الدراسة، تم إجراء قياسات T1 لتقييم احتمال بقاء الكيوبت في الحالة المثارة، المشار إليها بـ \( P_1 \). تم إجراء هذه القياسات في أوقات تأخير ثابتة مختلفة بعد التهيئة في الحالة \( |1\rangle \). تم ملاءمة منحنيات الانحلال الناتجة إلى دالة أسية متناقصة لاستخراج أوقات T1. تم اشتقاق كل قيمة \( P_1 \) من حد أدنى يبلغ 400 جولة من قياسات الإثارة-التأخير المتطابقة، مما يضمن موثوقية إحصائية.
كانت أوقات التأخير للقياسات موزعة لوغاريتميًا لالتقاط نطاق واسع من أوقات T1 بشكل فعال. استخدمت قياسات T1 بدون تحكم وAC بين 81 و101 وقت تأخير، بينما استخدمت القياسات العشوائية السريعة 21 إلى 25 وقت تأخير. كانت مدة كل قياس T1 بدون تحكم وAC حوالي 10 دقائق، بينما اكتملت قياسات T1 العشوائية السريعة في حوالي 2.5 دقيقة. سمح هذا النهج المنهجي بإجراء تحليل شامل لديناميات الكيوبت عبر ظروف قياس مختلفة.
نتائج
تسلط النتائج المقدمة في هذه الدراسة الضوء على التحديات والتطورات في توصيف أوقات استرخاء T1 للكيوبتات ذات الخسارة المنخفضة باستخدام طرق تحكم متنوعة، مع التركيز بشكل خاص على تقنيات التحكم AC. تُظهر البيانات، التي تم جمعها على مدى 72-93 ساعة عبر 11 كيوبت، أن قياسات T1 بدون تحكم تظهر تقلبات كبيرة، مما يجعل التوصيف الدقيق صعبًا. بالمقابل، تُظهر قياسات T1 التي يتم التحكم فيها بواسطة AC استقرارًا ملحوظًا، حيث تحافظ على قيم أكبر من 1 مللي ثانية لفترات طويلة. تقدم الدراسة بروتوكول قياس عشوائي سريع يقلل بشكل فعال من تباين T1، مما يشير إلى أن إعدادات الجهد الأقل يمكن أن تحقق تحسينات مماثلة في T1، مما يسهل خوارزميات التحكم في TLS لمعالجات الكم الأكبر.
يكشف التحليل أن المتوسط التوافقي لقيم T1 العشوائية السريعة يتقارب بشكل وثيق مع قياسات T1 AC، مما يدل على فعالية التحكم AC في تلخيص توزيع T1 المتأثر بالأنظمة ذات المستويين القريبة (TLS). بالإضافة إلى ذلك، يتم استكشاف العلاقة بين عامل الجودة (Q) وتردد الكيوبت، حيث يظهر انخفاض في Q مع زيادة التردد، مما قد لا يُعزى فقط إلى خسارة بورسيل. تؤكد النتائج على فائدة التحكم في TLS بواسطة AC في تحقيق قياسات دقيقة لفقدان طاقة الكيوبت كدالة للتردد ودرجة الحرارة، كاشفة عن اتجاهات سيكون من الصعب تمييزها دون هذه الطريقة. بشكل عام، تدعو الدراسة إلى اعتماد أوسع للتحكم في TLS بواسطة AC لتعزيز جودة الكيوبت وتعميق الفهم لآليات الخسارة في الكيوبتات الفائقة التوصيل.
مناقشة
في القسم المناقش، يوضح المؤلفون بروتوكولات التحسين لقياس زمن الاسترخاء \( T_1 \) لنظام ذو مستويين (TLS) تحت فولتاجات تيار مباشر (DC) متغيرة. تتضمن عملية القياس تطبيق جهد مختار عشوائيًا على قطب TLS وتقييم \( T_1 \) الناتج. إذا تجاوز \( T_1 \) 1 مللي ثانية، يتم الاحتفاظ بنفس الجهد للقياسات اللاحقة. على العكس، إذا كان \( T_1 \) أقصر من 1 مللي ثانية، يتم اختيار جهد عشوائي جديد، مع تكرار العملية حتى يتم تحقيق \( T_1 \) مرضٍ. من الجدير بالذكر أن المؤلفين أبلغوا أنه في جميع الحالات التي تتطلب جهدًا جديدًا لتلبية معيار \( T_1 > 1 \) مللي ثانية، تم تحقيق ذلك في ثلاث محاولات.
بالإضافة إلى ذلك، يصف المؤلفون نهج قياس أكثر دقة لتوليد الرسم البياني في الشكل 2d. في البداية، يتم إجراء قياس سريع لـ \( T_1 \)، وإذا تجاوزت النتيجة 2 مللي ثانية، يتم الحفاظ على الجهد لقياس مفصل يتضمن 100 تأخير زمني موزع بشكل خطي، مع تعيين الحد الأقصى للتأخير إلى أربعة أضعاف \( T_1 \) السريع الأول. تتكرر هذه العملية التكرارية مع جهود عشوائية جديدة لضمان جمع بيانات شاملة. يبرز القسم كفاءة بروتوكول التحسين في تحقيق قياسات موثوقة لـ \( T_1 \) مع الالتزام بقيود إعداد التجربة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41534-026-01199-x
Publication Date: 2026-02-28
Author(s): Andrew Dane et al.
Primary Topic: Quantum Information and Cryptography
Overview
The research addresses the challenge of large variations in the energy relaxation time ($T_1$) of superconducting qubits, which complicates the evaluation of new qubit materials and fabrication methods. To improve the characterization of qubit quality factors, the authors propose techniques that involve applying electric fields to two-level systems (TLS) near the qubits. By introducing low-frequency (<1 Hz) alternating current (AC) fields, they stabilize the measured $T_1$ by averaging over various TLS configurations, yielding a robust estimate that is difficult to achieve through extensive measurements without applied fields. Additionally, the authors employ a method involving randomly selected direct current (DC) fields to measure $T_1$. This approach, characterized by repeated 'fast-random' measurements, reveals a distribution of $T_1$ values, with the harmonic mean aligning with the results from AC measurements, while also highlighting a broader range of qubit lifetimes influenced by TLS interactions. The implementation of these TLS control techniques includes a straightforward protocol for improving $T_1$ and precise measurements of $T_1$ as a function of temperature. Overall, these advancements are expected to enhance the understanding of qubit coherence and facilitate better measurements in shorter timeframes or with fewer devices.
Methods
In this study, T1 measurements were performed to assess the probability of a qubit remaining in the excited state, denoted as \( P_1 \). These measurements were conducted at various fixed delay times following initialization in the state \( |1\rangle \). The resulting decay curves were fitted to a falling exponential function to extract T1 times. Each \( P_1 \) value was derived from a minimum of 400 identical excitation-delay-measure rounds, ensuring statistical reliability.
The time delays for the measurements were logarithmically spaced to effectively capture a broad range of T1 times. The No-control and AC T1 measurements utilized between 81 and 101 delay times, while the fast random measurements employed 21 to 25 delay times. The duration for each No-control and AC T1 measurement was approximately 10 minutes, whereas the fast random T1 measurements were completed in about 2.5 minutes. This methodological approach allowed for a comprehensive analysis of qubit dynamics across different measurement conditions.
Results
The results presented in this study highlight the challenges and advancements in characterizing the T1 relaxation times of low-loss qubits using various control methods, particularly focusing on AC control techniques. The data, collected over a span of 72-93 hours across 11 qubits, demonstrates that T1 measurements without control exhibit significant fluctuations, making accurate characterization difficult. In contrast, AC-controlled T1 measurements show remarkable stability, maintaining values greater than 1 ms for extended periods. The study introduces a fast-random measurement protocol that effectively reduces T1 variation, suggesting that fewer voltage settings can yield similar improvements in T1, thereby facilitating TLS control algorithms for larger quantum processors.
The analysis reveals that the harmonic mean of fast-random T1 values closely converges with the AC T1 measurements, indicating the efficacy of AC control in summarizing the T1 distribution influenced by nearby two-level systems (TLS). Additionally, the relationship between the quality factor (Q) and qubit frequency is explored, showing a decrease in Q with increasing frequency, which may not be solely attributed to Purcell loss. The findings underscore the utility of AC TLS control in achieving precise measurements of qubit energy loss as a function of frequency and temperature, revealing trends that would be challenging to discern without this method. Overall, the study advocates for the broader adoption of AC TLS control to enhance qubit quality and deepen understanding of loss mechanisms in superconducting qubits.
Discussion
In the discussed section, the authors detail the optimization protocols for measuring the relaxation time \( T_1 \) of a two-level system (TLS) under varying direct current (DC) voltages. The measurement process involves applying a randomly selected voltage to the TLS electrode and assessing the resulting \( T_1 \). If \( T_1 \) exceeds 1 ms, the same voltage is retained for subsequent measurements. Conversely, if \( T_1 \) is shorter than 1 ms, a new random voltage is chosen, with the process repeating until a satisfactory \( T_1 \) is achieved. Notably, the authors report that in all instances requiring a new voltage to meet the \( T_1 > 1 \) ms criterion, this was accomplished within three attempts.
Additionally, the authors describe a more refined measurement approach to generate the plot in Fig. 2d. Initially, a rapid \( T_1 \) measurement is conducted, and if the result exceeds 2 ms, the voltage is maintained for a detailed measurement involving 100 linearly spaced time delays, with the maximum delay set to four times the initial fast \( T_1 \). This iterative process is repeated with new random voltages to ensure comprehensive data collection. The section emphasizes the efficiency of the optimization protocol in achieving reliable \( T_1 \) measurements while adhering to the constraints of the experimental setup.