Aluminum superconducting electrical resonator circuit. TLSs are defects thought to be located on the surface of the aluminum layer (white) and exposed silicon (gray).
With the quantum age on the horizon, scientists are working to develop quantum computers that will have a processing speed exponentially faster than today’s most advanced supercomputer. Building a useful quantum computer is one of the great engineering challenges of our time. In all implementations, qubits that are reliable, stable, and scalable are essential in this endeavor.
The accuracy and reliability of qubits is being investigated by a group of researchers lead by Dr. Matteo Mariantoni, a faculty member at the Institute for Quantum Computing (IQC) and professor in the Department of Physics and Astronomy at the University of Waterloo. The research team is working with superconducting quantum circuits, which are currently among the leading platforms in efforts to develop a quantum computer.
Using chips comprised of aluminum layers on top of silicon wafers, the group is creating superconducting devices. As researchers build toward fully functional quantum computers with this technology, it is essential to understand and measure the amount of decoherence – the loss of quantum information due to loss or noise – in a circuit. These effects need to be remediated or minimized for any future quantum computer to function well and yield accurate results.
Superconducting circuits are affected by defects in the surrounding material called “two-level systems” (TLSs) which, much like qubits, can be in one of two distinct energy levels, either a ground state or an excited state, at any given moment. In a previous study conducted by the research group, they observed that thermal fluctuations between ground and excited states of TLSs cause qubit decoherence and necessitate constant recalibration of the qubit control parameters. In this continuation of their work, they have shifted their focus from qubits to resonators, another type of quantum object essential for quantum computing, in order to better understand the physics of TLS defects.
Dr. Jérémy Béjanin, a postdoctoral fellow at IQC, was part of the group investigating the fluctuations attributable to TLSs. “Since TLS defects cannot be directly measured, we use resonators as probes to indirectly detect the TLS fluctuations that cause decoherence.”
In the latest experiment, an electromagnetic field was applied to energize the TLS population, then the researchers used a resonator to observe the platform and identify how much of the energy was dampened by TLS defects in the circuit. “You can think of a resonator like a string on a guitar that vibrates at a particular frequency, only in this case it is not an acoustic vibration but an electromagnetic vibration,” says Béjanin. “In our experiments, the resonators are aluminum bands on the chip that resonate, or electromagnetically vibrate, at a specific frequency. We can measure the exact frequency of the resonator and observe how long it rings to determine the quality factor of the resonator.”
Quality factor is measured by how long the resonator will resonate, or vibrate, at one specific frequency. “TLS defects take energy away from resonators, they reduce the quality factor. You can think of them as putting your finger on the vibrating string of the guitar and muting the resonator, or shortening the length of the vibration,” says Béjanin. The researchers used a microwave signal that minimally interacts with the resonator to energize the TLS defects, which has been shown to suppress TLS errors at high power. This allows them to “remove” a fraction of the TLSs that affect the resonator, thereby allowing for a better characterization of the fluctuations. A weaker probe which interacts with the resonator directly is used to track its resonant frequency and infer the quality factor continuously.
This study is the first experiment to monitor resonator frequencies constantly over many days – up to five in this result. Their data shows explicitly that the TLS defects can skew experiments on both short and long time scales. “Because these fluctuations change the performance of qubits and resonators over time in an unpredictable way, they make the results of computation inconsistent and unreliable,” explains Béjanin. “That is problematic for quantum computers.”
Quantum computers based on these superconducting platforms, including those at IBM and Google, are subject to TLS defects and their fluctuations. This research from Mariantoni’s group indicates that any computational system not constantly monitored and recalibrated to account for random fluctuations is likely to produce incorrect results without the user knowing. With this issue present, it will be difficult to make a high-quality quantum computer.
Having done the research to characterize this TLS problem, next, the team is planning to investigate ways to mitigate TLS errors. Understanding such dissipative phenomena as quantum decoherence will pave the way for scaling up future quantum computers.
This research was supported in part by the Canada First Research Excellence Fund through the Transformative Quantum Technologies (TQT) program.
Fluctuation Spectroscopy of Two-Level Systems in Superconducting Resonators published in APS Physics on September 6th, 2022.
Circuit électrique résonnant supraconducteur en aluminium; les systèmes à deux niveaux sont des défauts possiblement situés à la surface de la couche d’aluminium (blanc) et du silicium exposé (gris).
Atténuer les erreurs dans les circuits quantiques supraconducteurs pour ouvrir la voie aux ordinateurs quantiques de demain
L’ère quantique se profilant à l’horizon, les scientifiques cherchent à concevoir des ordinateurs quantiques ayant une vitesse de traitement exponentiellement plus rapide que celle des superordinateurs les plus avancés d’aujourd’hui, mais la conception d’un ordinateur quantique utile est l’un des grands défis techniques de notre époque. Pour réussir, il faut des qubits fiables, stables et modulables.
L’exactitude et la fiabilité des qubits font l’objet d’une étude menée par Matteo Mariantoni, membre du corps enseignant de l’Institut d’informatique quantique et professeur au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo. L’équipe de recherche travaille avec des circuits quantiques supraconducteurs, actuellement l’une des plateformes de prédilection pour la conception d’un ordinateur quantique.
L’équipe crée des appareils supraconducteurs en utilisant des puces composées de couches d’aluminium sur des tranches de silicium. Puisque c’est cette même technologie que les chercheurs emploient pour tenter de bâtir les premiers ordinateurs quantiques entièrement fonctionnels, il est essentiel de comprendre et de mesurer la quantité de décohérence – la perte d’information quantique pouvant notamment être causée par le bruit – dans un circuit. Ces effets doivent être corrigés ou minimalisés pour qu’un ordinateur quantique puisse bien fonctionner et produire des résultats exacts.
Viennent nuire aux circuits supraconducteurs des défauts du matériau environnant appelés « systèmes à deux niveaux » qui, comme les qubits, peuvent avoir l’un des deux niveaux d’énergie (état fondamental ou état excité) à tout moment. Dans une étude précédente, l’équipe de recherche a observé que les fluctuations thermiques entre les états fondamental et excité des systèmes à deux niveaux peuvent entraîner la décohérence des qubits et demandent donc un réétalonnage constant des paramètres de contrôle des qubits. Dans la foulée de ces travaux, elle a délaissé les qubits pour se pencher sur les résonateurs, un autre type d’objet quantique essentiel à l’informatique quantique, pour mieux comprendre la physique des systèmes à deux niveaux.
Jérémy Béjanin, boursier postdoctoral à l’Institut, faisait partie de l’équipe qui a étudié les fluctuations attribuables aux systèmes à deux niveaux : « Comme les systèmes à deux niveaux ne peuvent être directement mesurés, nous utilisons des résonateurs comme sondes pour détecter indirectement les fluctuations causant la décohérence. »
Dans la plus récente expérience, un champ électromagnétique a servi à exciter la population des systèmes à deux niveaux, après quoi les chercheurs ont utilisé un résonateur pour observer la plateforme et évaluer la diminution d’énergie causée par les défauts dans le circuit. « Un résonateur est un peu comme la corde d’une guitare qui vibre à une fréquence donnée, sauf qu’il ne s’agit pas d’une vibration acoustique mais électromagnétique, explique M. Béjanin. Dans nos expériences, les résonateurs sont des bandes d’aluminium placées sur la puce qui résonnent, ou vibrent de manière électromagnétique, à une fréquence précise. Nous pouvons mesurer la fréquence exacte et observer la durée de la résonance pour déterminer le facteur de qualité du résonateur. »
Ainsi, pour évaluer ce facteur de qualité, il faut mesurer pendant combien de temps le résonateur résonne, ou vibre, à une fréquence donnée. « Les systèmes à deux niveaux réduisent l’énergie qui se rend aux résonateurs et donc le facteur de qualité. C’est comme si on mettait le doigt sur la corde de la guitare pendant qu’elle vibre; cela “assourdit” le résonateur ou raccourcit la vibration. » Pour exciter les défauts, les chercheurs ont utilisé un signal hyperfréquences qui interagit au minimum avec le résonateur, puisqu’il a été démontré que ce type de signal élimine les erreurs causées par les systèmes à deux niveaux à puissance élevée. Ils ont ainsi pu « retirer » une fraction des défauts qui nuisaient au résonateur pour mieux caractériser les fluctuations. Une sonde peu puissante qui interagissait directement avec le résonateur a servi à surveiller la fréquence de résonance et à déduire en continu le facteur de qualité.
Cette étude est la première à surveiller la fréquence d’un résonateur sans interruption sur plusieurs jours – cinq, dans ce cas-ci. Les données montrent explicitement que les défauts peuvent fausser les résultats des expériences à court ou à long terme. « Puisque les fluctuations modifient la performance des qubits et des résonateurs au fil du temps de manière imprévisible, elles rendent les résultats des calculs incohérents et peu fiables. C’est un problème pour les ordinateurs quantiques. »
Les ordinateurs quantiques fondés sur ces plateformes supraconductrices, comme ceux d’IBM et de Google, sont vulnérables à ces défauts et aux fluctuations qu’ils causent. Les travaux de l’équipe de M. Mariantoni indiquent que tout système informatique qui n’est pas constamment surveillé et réétalonné selon les fluctuations aléatoires risque fort de produire des résultats erronés à l’insu de l’utilisateur. Tant que ce problème demeurera, il sera difficile de fabriquer un ordinateur quantique de grande qualité.
Maintenant qu’elle a caractérisé ce problème, l’équipe compte chercher des façons d’atténuer les erreurs causées par un système à deux niveaux. C’est par la compréhension de phénomènes dissipatifs tels que la décohérence quantique que l’on pourra développer les ordinateurs quantiques de demain.
Cette étude a été financée en partie par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada, par le biais du programme de Transformative Quantum Technologies (TQT).
« Fluctuation Spectroscopy of Two-Level Systems in Superconducting Resonators », publiée dans APS Physics le 6 septembre 2022.