Google AI量子团队的一个研究领域是从超导电路构建量子处理器，这是实现量子比特的有力候选者。虽然超导电路已经展示了最先进的性能和可扩展性，适用于包含数十个量子比特的适中处理器尺寸，但是一个突出的挑战是稳定它们的性能，这可能会出现不可预测的波动。虽然在许多超导量子比特架构中已经观察到性能波动，但是它们的起源尚不清楚，这阻碍了稳定处理器性能的进展。
在本周发表于《物理评论快报》的“超导量子比特中能量弛豫时间的波动”中，Google AI量子团队使用量子比特作为其环境的探测器，以表明性能波动主要由材料缺陷决定。这是通过研究量子比特的能量弛豫时间(Energy-Relaxation Times)(T1)来完成的——这是一种通用的性能指标，它给出了量子比特从激发态到基态进行能量弛豫所需的时间长度——作为工作频率的函数和时间。
在测量T1时，他们发现一些量子比特工作频率明显比其他工作频率差，形成能量松弛热点(见下图)。其研究表明，这些热点是由于材料缺陷造成的，这些材料缺陷本身就是量子系统，当它们的频率重叠时(即“共振”)可以从量子比特中提取能量。令人惊讶的是，该团队发现能量松弛热点不是静态的，而是在从几分钟到几小时的时间尺度上“移动”。根据这些观察结果，他们得出结论，进入和退出与量子比特共振的缺陷频率的动态驱动着最显著的性能波动。
这些缺陷——通常称为两级系统(TLS)——通常被认为存在于超导电路的材料界面处。然而，即使经过数十年的研究，它们的微观起源仍然困扰着研究人员。除了澄清量子比特性能波动的起源之外，该团队的数据还阐明了控制缺陷动力学的物理学，这是这个难题的重要组成部分。有趣的是，从热力学论证他们不指望看到的缺陷会表现出任何动态。它们的能量比该团队的量子处理器中可用的热能高一个数量级，因此它们应该被“冻结”。它们没有被冻结的事实表明它们的动态可能是由与其他缺陷的相互作用驱动的。更低的能量，因此可以热激活。
量子比特可用于研究单个材料缺陷(它们被认为具有比我们的量子比特小数百万倍的原子尺寸)的事实，表明它们是功能强大的计量工具。虽然很明显缺陷研究可以帮助解决材料物理学中的突出问题，但它可能令人惊讶的是它对改善当今量子处理器的性能具有直接意义。事实上，缺陷计量已经告知了我们的处理器设计和制造，甚至我们用来避免量子处理器运行时间缺陷的数学算法。该团队希望这项研究有助于进一步研究超导电路中的材料缺陷。
本文是《量子计算前沿》基于相关资料原创编译，并整理在量子客(Qtumist.com)上发布。
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