DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-61126-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40628722
تاريخ النشر: 2025-07-08
المؤلف: Mikko Tuokkola وآخرون
الموضوع الرئيسي: معلومات الكم والتشفير
نظرة عامة
تُعتبر الكيوبتات الفائقة التوصيل مرشحًا رائدًا للحوسبة الكمومية، ومع ذلك، تظل دقة تشغيلها مقيدة بأوقات الاسترخاء الطاقي وفقدان الطور. تقدم هذه الدراسة نتائج قياس كيوبت ترانسمن عالي التماسك، والذي يُظهر تحسينات كبيرة في هذه المعلمات مقارنة بالأدبيات الحالية. على وجه التحديد، يعمل الكيوبت بتردد 2.9 غيغاهرتز، مع وقت استرخاء طاقي \( T_1 \) يُظهر وسطيًا قدره 425 ميكروثانية وحد أقصى قدره \( 666 \pm 33 \) ميكروثانية. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر وقت فقدان الطور الصدى \( T^*_{2} \) وسطيًا قدره 541 ميكروثانية وحد أقصى قدره \( 1057 \pm 138 \) ميكروثانية.
تُفصل الورقة تصميم وتصنيع وطرق القياس المستخدمة، بهدف تعزيز إمكانية إعادة الإنتاج والتبني الأوسع للكيوبتات الفائقة التماسك في كل من الأوساط الأكاديمية والصناعية. هذه التقدمات ضرورية لتعزيز أداء الخوارزميات الكمومية وتقدم مجال الحوسبة الكمومية.
طرق
يستعرض قسم “الطرق” في ورقة البحث الأساليب التجريبية والتحليلية المستخدمة للتحقيق في أسئلة البحث. يُفصل تصميم الدراسة، بما في ذلك اختيار المشاركين، والمواد المستخدمة، والإجراءات المتبعة أثناء جمع البيانات. كما يصف القسم التقنيات الإحصائية المطبقة لتحليل البيانات، مما يضمن أن النتائج قوية وموثوقة.
بالإضافة إلى ذلك، تشمل المنهجية أي أدوات أو برامج محددة تم استخدامها لمحاكاة أو حسابات، فضلاً عن المعايير المستخدمة لتقييم النتائج. يسمح هذا النهج الشامل بإجراء فحص دقيق للفرضيات المطروحة في الدراسة، مما يسهل فهمًا واضحًا للعمليات والنتائج الأساسية. بشكل عام، تم تصميم الطرق المستخدمة لضمان صحة وإمكانية إعادة إنتاج نتائج البحث.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج من قياس أربعة كيوبتات ترانسمن (Q1-Q4) مرتبطة بمذبذبات موجية متوازية، حيث تكون Q1 و Q3 قابلة للتعديل بواسطة التدفق و Q2 و Q4 بتردد ثابت. تُظهر الكيوبتات ترددات مذبذبات أساسية تتراوح من 5.85 غيغاهرتز إلى 6.23 غيغاهرتز، بينما تحتوي الكيوبتات ذات التردد الثابت على ترددات قدرها \( f_{Q2} = 2.89 \, \text{GHz} \) و \( f_{Q4} = 3.29 \, \text{GHz} \). تحتوي الكيوبتات القابلة للتعديل بواسطة التدفق على ترددات قصوى قدرها \( f_{Q1} = 4.05 \, \text{GHz} \) و \( f_{Q3} = 4.59 \, \text{GHz} \). ومن الجدير بالذكر أن الكيوبت الثابت التردد Q2 يُظهر أوقات استرخاء طاقي وفقدان طور صدى استثنائية، مع قيم متوسطة قدرها \( T_1 = 502 \, \mu s \) و \( T_{echo}^2 = 541 \, \mu s \)، وحدود قصوى قدرها \( T_1 = (765 \pm 0.083) \, \mu s \) و \( T_{echo}^2 = (1057 \pm 0.138) \, \mu s \).
خلال فترة التبريد الثانية، لوحظ انخفاض في تردد الكيوبت Q2 بمقدار 28 ميغاهرتز، جنبًا إلى جنب مع عرض خط مذبذب القراءة قدره 2.63 ميغاهرتز وانزياح تشتت قدره \( 2\chi/2\pi = 1.24 \, \text{MHz} \). تم إجراء قياسات لـ \( T_1 \) و \( T_{echo}^2 \) مع وبدون إشارة ضخ مُطبقة على مضخم الموجات المتنقلة (TWPA). لم يُغير TWPA بشكل كبير أوقات التماسك ولكنه حسّن من دقة القياسات. أسفرت النتائج النهائية عن وسائط قدرها \( T_1 = 425 \, \mu s \) و \( T_{echo}^2 = 391 \, \mu s \)، مع حدود قصوى قدرها \( T_1 = (666 \pm 33) \, \mu s \) و \( T_{echo}^2 = (806 \pm 78) \, \mu s \). تشير البيانات إلى أن أطول قياس لـ \( T_1 \) ينحرف عن السلوك الأسي، على الأرجح بسبب الانزياحات الترددية الناتجة عن ضوضاء الشحن. يتم مناقشة المزيد من التفاصيل وإمكانية إعادة إنتاج عملية التصنيع عالية التماسك في المواد التكميلية.
مناقشة
في هذا البحث، يوضح المؤلفون تصميم وتصنيع وإعداد القياس لكيوبت ترانسمن عالي التماسك، محققين وقت استرخاء طاقي وسطي ($T_1$) قدره 425 ميكروثانية ووقت فقدان طور صدى وسطي ($T^*_{echo}$) قدره 541 ميكروثانية، وهو ما يتجاوز السجلات السابقة للكيوبتات الترنسمن. ومع ذلك، كانت هذه القيم أقصر بشكل ملحوظ خلال فترة التبريد الثانية، ربما بسبب التقلبات البيئية وأكسدة السطح. تقنيات التصنيع المقدمة قابلة للتكيف مع كيوبتات فائقة التوصيل الأخرى، مثل كيوبتات يونيومون، وقد تسهل التصنيع على نطاق واسع. يمثل هذا العمل تقدمًا كبيرًا في الكيوبتات الفائقة التماسك، حيث يقترب من أوقات الاسترخاء وفقدان الطور بالمللي ثانية، مما يساهم في تطوير التقنيات الكمومية.
تشمل عملية التصنيع عدة خطوات حاسمة، بما في ذلك استخدام CF₄ لنقش النيوبيوم لتعزيز إمكانية إعادة الإنتاج وطريقة ما قبل التقطيع لتقليل التعرض للجو. يصف المؤلفون الإجراءات التفصيلية لتحضير الركيزة، ونقش النيوبيوم، وترسيب تقاطعات جوزيفسون، مع تسليط الضوء على أهمية الحفاظ على بيئة مسيطر عليها طوال العملية. كما يتم توضيح إعداد التجربة لقياسات الكيوبت، باستخدام معدات متقدمة لضمان توصيف دقيق. من المتوقع أن تستفيد النتائج والأساليب الموضحة في هذه الورقة المجتمع البحثي الأوسع، مما يسرع من التقدم في أجهزة الاستشعار الكمومية والمحاكيات وأجهزة الكمبيوتر القائمة على تقنيات فائقة التوصيل.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-61126-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40628722
Publication Date: 2025-07-08
Author(s): Mikko Tuokkola et al.
Primary Topic: Quantum Information and Cryptography
Overview
Superconducting qubits are recognized as a leading candidate for quantum computing, yet their operational fidelity remains constrained by energy relaxation and dephasing times. This study presents the measurement results of a high-coherence transmon qubit, which demonstrates significant improvements in these parameters compared to existing literature. Specifically, the qubit operates at a frequency of 2.9 GHz, with an energy relaxation time \( T_1 \) exhibiting a median of 425 μs and a maximum of \( 666 \pm 33 \) μs. Additionally, the echo dephasing time \( T^*_{2} \) shows a median of 541 μs and a maximum of \( 1057 \pm 138 \) μs.
The paper details the design, fabrication, and measurement methodologies employed, aiming to promote the reproducibility and broader adoption of high-coherence transmon qubits in both academic and industrial settings. These advancements are crucial for enhancing the performance of quantum algorithms and advancing the field of quantum computing.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the experimental and analytical approaches employed to investigate the research questions. It details the design of the study, including the selection of participants, materials used, and the procedures followed during data collection. The section also describes the statistical techniques applied for data analysis, ensuring that the findings are robust and reliable.
Additionally, the methodology includes any specific tools or software utilized for simulations or calculations, as well as the criteria for evaluating the results. This comprehensive approach allows for a thorough examination of the hypotheses posed in the study, facilitating a clear understanding of the underlying processes and outcomes. Overall, the methods employed are designed to ensure the validity and reproducibility of the research findings.
Results
The results section presents findings from the measurement of four transmon qubits (Q1-Q4) coupled to coplanar waveguide resonators, with Q1 and Q3 being flux-tunable and Q2 and Q4 fixed-frequency. The qubits exhibit fundamental resonator frequencies ranging from 5.85 GHz to 6.23 GHz, while the fixed-frequency qubits have frequencies of \( f_{Q2} = 2.89 \, \text{GHz} \) and \( f_{Q4} = 3.29 \, \text{GHz} \). The flux-tunable qubits have maximum frequencies of \( f_{Q1} = 4.05 \, \text{GHz} \) and \( f_{Q3} = 4.59 \, \text{GHz} \). Notably, fixed-frequency qubit Q2 demonstrates exceptional energy relaxation and echo dephasing times, with median values of \( T_1 = 502 \, \mu s \) and \( T_{echo}^2 = 541 \, \mu s \), and maxima of \( T_1 = (765 \pm 0.083) \, \mu s \) and \( T_{echo}^2 = (1057 \pm 0.138) \, \mu s \).
During the second cooldown, a decrease in the frequency of qubit Q2 by 28 MHz was observed, alongside a readout resonator linewidth of 2.63 MHz and a dispersive shift of \( 2\chi/2\pi = 1.24 \, \text{MHz} \). Measurements of \( T_1 \) and \( T_{echo}^2 \) were conducted with and without a pump signal applied to the traveling wave parametric amplifier (TWPA). The TWPA did not significantly alter coherence times but improved the certainty of the measurements. The final results yielded medians of \( T_1 = 425 \, \mu s \) and \( T_{echo}^2 = 391 \, \mu s \), with maxima of \( T_1 = (666 \pm 33) \, \mu s \) and \( T_{echo}^2 = (806 \pm 78) \, \mu s \). The data indicate that the longest measured \( T_1 \) deviates from exponential behavior, likely due to frequency shifts caused by charge noise. Further details and reproducibility of the high-coherence fabrication process are discussed in the supplementary materials.
Discussion
In this research, the authors detail the design, fabrication, and measurement setup for a high-coherence transmon qubit, achieving a median energy relaxation time ($T_1$) of 425 μs and a median echo dephasing time ($T^*_{echo}$) of 541 μs, which surpass previous records for transmon qubits. However, these values were notably shorter during the second cooldown, potentially due to environmental fluctuations and surface oxidation. The fabrication techniques presented are adaptable for other superconducting qubits, such as unimon qubits, and may facilitate large-scale manufacturing. This work marks a significant advancement in high-coherence superconducting qubits, approaching millisecond timescales for energy relaxation and dephasing, thereby contributing to the development of quantum technologies.
The fabrication process involves several critical steps, including the use of CF₄ for niobium etching to enhance reproducibility and a pre-dicing method to minimize atmospheric exposure. The authors describe the detailed procedures for substrate preparation, niobium patterning, and the deposition of Josephson junctions, highlighting the importance of maintaining a controlled environment throughout the process. The experimental setup for qubit measurements is also elaborated, utilizing advanced equipment to ensure accurate characterization. The findings and methodologies outlined in this paper are expected to benefit the broader research community, accelerating advancements in quantum sensors, simulators, and computers based on superconducting technologies.