两能级系统(TLS)缺陷

想象一下,在量子芯片内部这里那里散布着一些单个原子,它们各自有两个略微不同的位置可以待着,并且不停地在这两处之间悄悄翻来翻去。这种能翻转的微小东西本身就像一个小小的两能级系统,是你真正造出来的那个量子比特的一个意外、不请自来的远房表亲。这样的缺陷有成千上万个,藏在金属表面那层薄薄的天然氧化物里、藏在结下方的非晶玻璃里、也藏在材料之间的界面处。它们之所以要紧,是因为每一个都能在某个特定频率上吸收能量,而量子芯片对哪怕只损失一个光子那么点能量都极其敏感。

麻烦从某个缺陷恰好与某个量子比特或它的读出谐振器处于同一频率时开始。这时两者会一起共振,量子比特的能量便会泄漏进缺陷里,而不再留在你想要的地方,表现出来就是相干时间变短。正因如此,TLS 恰恰在最关键的条件下成为相干性的主要限制因素:极低的微波功率(单光子量级附近)以及毫开尔文温度,此时其他损耗通道大多已经安静下来。它们的影响还令人头疼地飘忽不定。一个缺陷的频率会在数小时或数天里漂移,所以周一看起来还干干净净的量子比特,可能到周二就因为某个 TLS 漂进共振而突然冒出一个坏点。

目前还没有干净利落地清除它们的办法,只有让它们变少、并躲开最糟糕那些的办法。工程师会生长更洁净的薄膜、剥除有损耗的表面氧化物、减少量子比特电场所接触到的非晶介质的量,并挑选钽或氮化钛这类恰好含有较少有害缺陷的材料。可调量子比特还可以把工作频率停泊在远离某个已知缺陷的地方。但 TLS 是无序的玻璃态物质本身的一种属性,所以时至今日,它们仍是横在又小又吵的芯片与又大又可靠的芯片之间、最棘手也最不光鲜的障碍之一。