摘要
依赖于量子比特(量子位)的技术需要较长的相干时间和高保真操作1．超导量子比特是实现这些目标的主要平台之一2，3.．然而，超导量子比特的相干性受到库珀电子对的破坏的影响4，5，6．实验观察到的断裂库珀对(称为准粒子)的密度比巴丁-库珀-施里弗超导理论在平衡状态下预测的值高几个数量级7，8，9．以前的工作10，11，12红外光子显著增加了准粒子密度，但即使在最好的隔离系统中，它仍然高得多10比预期的要多，这表明存在另一种生成机制13．在这里，我们提供了来自环境放射性物质和宇宙射线的电离辐射造成这种观察到的差异的证据。电离辐射的效应导致准粒子密度的升高，我们预测这最终将限制超导量子位的相干时间在这里测量到毫秒。我们进一步证明了辐射屏蔽降低了电离辐射的通量，从而增加了能量松弛时间。尽管对今天的量子比特影响很小，但减少或减轻电离辐射的影响对于实现容错超导量子计算机至关重要。
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改变历史
2020年9月12日
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确认
我们感谢K. Serniak和R. Winik对手稿的讨论和评论;G. Calusine, K. Serniak和U. von Luepke设计和预表征量子比特样本;G. Castelazo协助操作铅盾;M. S. Galanek、R. Samz和A. Greene协助监督辐射源的使用;M. R.艾姆斯和T. I.博克在麻省理工学院反应堆(MITR)的生产64铜源;以及m.a. Zalavadia提供的NaI检测器。这项工作部分得到了美国能源部核物理办公室在量子信息科学研究的倡议下的支持。De-sc0019295, duns: 001425594);美国陆军研究办公室(ARO)授予W911NF-14-1-0682;ARO多学科研究计划W911NF-18-1-0218;国家科学基金会资助项目PHY-1720311;由负责研究和工程的助理国防部长通过麻省理工学院林肯实验室根据空军合同编号。fa8721 - 05 - c - 0002。A.H.K.感谢NSF研究生研究奖学金计划的支持。 Pacific Northwest National Laboratory is operated by Battelle Memorial Institute under contract no. DE-AC05-76RL01830 for the US Department of Energy. We acknowledge IARPA and Lincoln Laboratory for providing the TWPA used in this experiment.
作者信息
作者及隶属关系
贡献
这个研究项目是量子系统(a.p.v.， a.h.k.， f.v.， S.G.和W.D.O.)和核物理(j.a.f.， j.l.o.， b.a.v.， B.L.和A.S.D)专家之间的合作。a.s.d.， b.l.， j.l.o.d.k.k.， a.j.m.， B.M.N.和J.L.Y.制作了量子比特芯片，模拟了背景辐射和辐射屏蔽的影响。量子比特实验和数据分析由A.P.V, A.H.K.和F.V.完成。所有作者都对文章的写作和编辑做出了贡献。有关量子比特操作的事宜应联系A.P.V.，有关辐射暴露的事宜应联系J.L.O.。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图1实验装置。
一个，用于测量量子比特频率和相干时间的室温电子和稀释冰箱配置的简化框图。b- - - - - -d，用于阻挡环境辐射的铅屏蔽原理图。铅盾可以用剪刀式升降机升降。b，在向上位置，量子比特位于铅盾边缘以下17厘米处。c，在降低的位置，铅屏蔽的边缘低于量子位120厘米。d，部分凸起的铅屏蔽图(在图中所示的配置之间)b而且c)．铅砖用保护膜包裹着。e，铅屏蔽实验中使用的量子位的参数。
图2准粒子注入实验。
一个，准粒子注入实验中的脉冲序列。首先，在持续时间内施加强微波脉冲dqp谐振腔，激发准粒子。又一次tqp，测量量子位的能量弛豫时间。b，准粒子注入实验中量子比特Q1的能量弛豫率(蓝点)。一条绿色实线显示了使用包括准粒子捕获和重组在内的完整模型对数据的拟合。橙色虚线表示只有重组的模型;虚线表示没有内部准粒子弛豫率的相同模型Γ其他．蓝色虚线表示只包含准粒子捕获的模型的拟合。虚线蓝色表示陷阱模型没有Γ其他．
图3屏蔽实验中的能量松弛时间。
一个，能量松弛时间T1在铅盾实验中，当盾处于向上(蓝色)或向下(橙色)位置时，量子比特Q1-Q7。b，用于测量所有量子比特的能量弛豫率的脉冲序列。首先，对所有的量子比特应用π脉冲。又一次t，测量脉冲用于确定量子位的状态。量子比特激发态总体随时间呈指数衰减。蓝色圆圈表示测量的量子位激发态总体，橙色线是使用方程模型(2)．c，铅屏蔽实验中所有量子比特的组合能量松弛时间的堆叠直方图。d，量子比特Q3、Q4、Q6、Q7的铅盾实验噪声功率谱密度图。红色虚线表示铅屏蔽的单次循环速率。如果所有数据都是按顺序收集的，绿色虚线表示估计的测量周期。橙线符合幂律，年代= const /fα,α≈1.5。
扩展数据图4谐振腔单音光谱。
一个- - - - - -d，透射系数|年代21在整个实验过程中，谐振腔1的|作为读出功率和读出频率的函数。当暴露在高水平辐射下时，谐振腔频率在用于读出量子比特的色散区变得不稳定。随着辐射源的衰减，谐振腔变得更加稳定。e，共振频率的变化，Δωr由于整个实验过程中的辐射。我们观察到中位数Δωr它的半衰期为t1／2= 21.74±2.8小时。f此外，谐振腔的全宽半极大值(FWHM)也随半衰期呈指数衰减t1／2= 24.16±0.78 h，直至收敛到控制值。
扩展数据图5量子比特频移。
一个量子位的频率可以从拉姆塞测量的傅里叶变换中确定，显示在安装后的不同时间64铜的来源。我们通过用控制脉冲的频率来抵消测量的傅里叶变换光谱来绘制推断的量子位频率。橙色虚线表示实验期间平均量子比特频率的变化。b拉姆齐测量中使用的脉冲序列。第一个π/2脉冲使量子比特处于叠加态。量子位态的相位随时间而变化t，之后，在测量脉冲之前应用第二个π/2脉冲。c- - - - - -e，拉姆齐振荡和拟合T2时间显示在安装后152小时，212小时和340小时64铜的来源。里面的虚线一个显示执行测量的时间。
扩展数据图6辐射传输模拟。
一个，截至2019年5月24日下午4时，在参考样品(A- ref)中测量到的同位素及其活动推断为样品A。东部时区。b，实验室环境中环境辐射源模拟结果。背景γ射线通量是通过拟合的测量与NaI闪烁器(图。3)，模拟和测量有和没有铅盾在“向上”位置。宇宙射线也被测量和模拟了盾起和盾下两种情况;正如预期的那样，护盾在上升位置没有可测量的影响，在下降位置的影响被认为是零。c，平均屏蔽效果值η由每个组件对总外部功率的贡献进行加权。到达稀释冰箱内部的通量比例统计不确定度均为0.0001;不确定性在η每个同位素的-值都接近0.001。d，硅和铝吸收的功率密度。e，该图显示了在实验室中测量到的宇宙射线μ子二次在NaI探测器中沉积的能量谱。蓝色实线显示了已知的宇宙射线μ子光谱与测量数据的拟合。红色虚线以下能量对应的光谱如图所示。3．请注意，在这里显示的频谱中，使用不同的能量仓宽度来捕获更高的能量尺度。
图7后处理对铅盾效应的影响A/B试验。
一个，上面一行显示P- 3个不同测试用例和不同后处理参数的Wilcoxon符号秩检验的值。在横轴上\ ({T} _ {1} ^ {{\ rm{削减}}- {\ rm{掉}}}\)是多种多样的。纵轴表示当盾构状态改变时，对能量松弛率的差异施加截止点的影响。第一列显示实际数据。中间的一列是一个参考实验，在没有移动屏蔽的情况下比较能量松弛率。最后一列显示了能量松弛率对随机化时的数据。下一行显示了屏蔽对能量松弛率δ的影响的中位数Γ1．b， δ的中位数Γ1沿着虚线一个．阴影区域显示中位数为68%的ci。
图8非对称参数分布。
不对称参数的分布一个我能量松弛率之间的盾在向上或向下的位置。
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Vepsäläinen, a.p.，卡拉姆卢，a.h.，奥雷尔，J.L.et al。电离辐射对超导量子比特相干性的影响。自然584， 551-556(2020)。https://doi.org/10.1038/s41586-020-2619-8
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