作者: Mathieu F'echant, Phillip Lenhard, Nicolas Gosling, Ritika Dhundhwal, Denis B'en^atre, Wolfgang Wernsdorfer, Thomas Reisinger, Ioan M. Pop

1. 核心物理图象

• 想象一个超导量子比特（qubit）就像一盏闪烁的灯，它的周围环境中存在着一些“看不见的陷阱”（寄生二能级系统，TLS），会随机地捕获和释放光子，导致量子比特的能量泄漏和退相干。 • 本论文的核心发现是：这些陷阱中，有一些的“寿命”极长，可以超过1秒，比目前最好的量子比特的寿命还要长几个数量级。这意味着，当量子比特向这些陷阱丢失能量后，能量并不会永远消失，而是会在很久之后“回吐”给量子比特。 • 这打破了量子比特环境是“无记忆”的传统假设，揭示了环境中存在一个长寿命的“记忆通道”。作者通过巧妙的实验技术，不仅证实了这些长寿命陷阱的存在，还首次直接测量到了它们自身的寿命，并证明现有的“标准隧道模型”（用于描述材料中的缺陷）可以解释这种长寿命现象。

2. 关键术语解释

1. 长寿命二能级系统 (Long-lived TLS)：

   • 定义：指存在于超导量子比特环境中，其能量弛豫时间（寿命）远长于量子比特本身寿命的寄生缺陷。它们可以吸收量子比特的能量，并在很长一段时间后将其释放回来。
   • 在论文中的作用：这是论文的核心研究对象。论文的主要目标就是隔离并测量这些长寿命TLS的内在寿命，并理解它们对量子比特的影响。

2. 量子跃迁关联谱学 (Quantum Jump Correlation Spectroscopy)：

   • 定义：一种实验技术，通过监测量子比特的“跃迁”（例如从激发态|1⟩衰减到基态|0⟩），然后统计在跃迁发生后紧接着再次测量到激发态的概率。
   • 在论文中的作用：这是作者用来“看到”长寿命TLS的关键工具。因为长寿命TLS会把能量返还给量子比特，所以会表现出非马尔可夫的“回流感”，从而在关联谱中显现出来。

3. 珀塞尔效应 (Purcell Effect)：

   • 定义：指一个量子发射体（如TLS）的衰减速率会受到其周围电磁环境（如量子比特）的影响。当TLS与量子比特共振时，量子比特会成为TLS的主要耗散通道，从而加速TLS的衰减。
   • 在论文中的作用：作者利用珀塞尔效应来测量TLS的内在寿命。通过将量子比特与TLS的失谐调大（即让它们不共振），珀塞尔效应被抑制，此时测量到的TLS衰减率就趋近于其与量子比特无关的“内在”衰减率。这个内在寿命被发现超过了1秒。

3. 主要贡献 (Key Contributions)

1. 首次直接测量到寿命超过1秒的TLS：论文报道了在超导量子比特环境中，存在内在弛豫时间超过1秒的二能级系统，这比之前报道的TLS寿命长了几个数量级，也远超当前量子比特的寿命。
2. 开发了测量TLS内在寿命的新方法：作者引入了“泵浦-探测”技术，利用斯塔克效应快速开关量子比特与TLS的相互作用，从而成功地将TLS“极化”并测量其光子返回时间，最终分离出TLS的内在弛豫率。
3. 为长寿命TLS的微观起源提供了新约束：实验结果显示，TLS与量子比特的耦合强度（kHz量级）和其内在寿命（秒量级）之间的关系，与“标准隧道模型”中关于位置缺陷的预测（耦合∝隧穿强度Λ，寿命∝1/Λ²）高度一致。这为理解这些长寿命TLS的物理本质提供了重要线索。
4. 指出未来量子比特将主要与长寿命TLS耦合：论文提出，随着材料质量的提升，短寿命TLS被逐渐消除，量子比特将越来越可能只与那些弱耦合、长寿命的TLS相互作用。因此，理解和控制这些长寿命TLS对于未来高相干量子比特的发展至关重要。

4. 研究方法 (Methodology)

1. 量子跃迁关联谱学：作者首先使用该技术（如关键术语2所述）对量子比特环境进行“被动”扫描，通过分析量子跃迁后的关联信号，从众多环境模式中筛选出具有非马尔可夫“记忆”效应的长寿命TLS。
2. 斯塔克效应调谐与泵浦-探测协议：为了测量TLS的内在寿命，作者利用交流斯塔克效应，通过施加一个远离量子比特频率的驱动，快速、原位地改变量子比特的频率。这使得他们能够在一个序列中快速地将量子比特与TLS“共振”（用于泵浦和探测）或“失谐”（用于等待），从而实现了对TLS的极化、延迟和探测。
3. 理论建模与拟合：作者使用所罗门方程（描述量子比特与TLS之间能量交换的速率方程）来拟合泵浦和探测过程中的量子比特布居数演化，从而推断出TLS的布居数。同时，他们使用珀塞尔公式（如论文中公式(1)）来拟合TLS衰减率随失谐的变化，从而提取出与失谐无关的内在衰减率Γ₀。最后，他们将实验结果与标准隧道模型的预测进行对比，以探讨TLS的微观起源。

5. 实验结果与结论 (Results and Conclusion)

• 关键结论：
  1. 在超导量子比特环境中，存在内在寿命超过1秒的二能级系统（TLS）。
  2. 这些TLS与量子比特的耦合很弱（kHz量级），其长寿命与标准隧道模型对位置缺陷的预测相符。
  3. 这些TLS不仅寿命长，而且相干性也很好（线宽约100 kHz，接近量子比特的退相干率）。
  4. 实验框架为表征TLS诱导的退相干提供了定量工具，并暗示长寿命TLS有潜力被用作量子存储器。
• 对领域意味着什么：
  • 这项发现挑战了量子比特环境是马尔可夫性的传统假设，指出非马尔可夫噪声（来自长寿命TLS）是未来量子纠错必须考虑的重要因素。
  • 它表明，随着量子比特质量的提升，它们将主要与这些长寿命、弱耦合的TLS相互作用，因此理解并控制这类TLS是进一步提升量子比特性能的关键。
• 开放性问题与未来启示：
  • 这些长寿命TLS的微观起源仍不确定。虽然与标准隧道模型一致，但也不能排除磁自旋杂质或俘获准粒子等其他可能性。需要进一步的实验（如测试电磁场依赖性、直接测量其退相位）来确定其本质。
  • 如何主动控制或功能化这些长寿命TLS，例如将其用作量子记忆元件或将其对量子比特的负面影响降至最低，是未来一个有趣的研究方向。

6. 论文标签 (Tags)

物理硬件, 量子信息, 量子纠错

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原文链接： Superconducting circuits host two-level systems with lifetimes exceeding one second