兩能階系統(TLS)缺陷

想像一下,在量子晶片內部這裡那裡散布著一些單個原子,它們各自有兩個略微不同的位置可以待著,並且不停地在這兩處之間悄悄翻來翻去。這種能翻轉的微小東西本身就像一個小小的兩能階系統,是你真正造出來的那個量子位元的一個意外、不請自來的遠房表親。這樣的缺陷有成千上萬個,藏在金屬表面那層薄薄的天然氧化物裡、藏在接面下方的非晶玻璃裡、也藏在材料之間的介面處。它們之所以要緊,是因為每一個都能在某個特定頻率上吸收能量,而量子晶片對哪怕只損失一個光子那麼點能量都極其敏感。

麻煩從某個缺陷恰好與某個量子位元或它的讀出諧振器處於同一頻率時開始。這時兩者會一起共振,量子位元的能量便會洩漏進缺陷裡,而不再留在你想要的地方,表現出來就是相干時間變短。正因如此,TLS 恰恰在最關鍵的條件下成為相干性的主要限制因素:極低的微波功率(單光子量級附近)以及毫克耳文溫度,此時其他損耗通道大多已經安靜下來。它們的影響還令人頭疼地飄忽不定。一個缺陷的頻率會在數小時或數天裡漂移,所以週一看起來還乾乾淨淨的量子位元,可能到週二就因為某個 TLS 漂進共振而突然冒出一個壞點。

目前還沒有乾淨俐落地清除它們的辦法,只有讓它們變少、並躲開最糟糕那些的辦法。工程師會生長更潔淨的薄膜、剝除有損耗的表面氧化物、減少量子位元電場所接觸到的非晶介質的量,並挑選鉭或氮化鈦這類恰好含有較少有害缺陷的材料。可調量子位元還可以把工作頻率停泊在遠離某個已知缺陷的地方。但 TLS 是無序的玻璃態物質本身的一種屬性,所以時至今日,它們仍是橫在又小又吵的晶片與又大又可靠的晶片之間、最棘手也最不光鮮的障礙之一。