在超导量子比特中，存在断裂的库珀对或准粒子是退相干的一个已知来源。这些来源可由高能辐射产生，要么存在于环境中，要么有目的地引入，例如一些混合量子设备。
8月7日，苏黎世联邦理工学院、于利希-亚琛研究联盟（JARA）量子信息研究所（PGI-11）、阿联酋技术创新研究所量子研究中心的研究人员在《Physical Review Letters》期刊上发表题为“Quasiparticle Dynamics in a Superconducting Qubit Irradiated by a Localized Infrared Source”（超导量子比特在局域红外源辐射下的准粒子动力学）的研究论文，Rodrigo Benevides、Maxwell Drimmer为论文共同第一作者。
在本文中，研究人员系统研究了transmon量子比特在不同功率、不同持续时间和不同空间位置下的聚焦红外辐射光照下的性质。尽管入射光子的能量很高，但观测结果与以囚禁为主的低能准粒子动力学模型非常吻合。这项技术可用于理解并或将缓解高能辐射对具有各种几何形状和材料的超导线路的影响。
背景
近年来，超导线路的量子相干性稳步提高。这令其不仅成为领先的量子信息处理平台之一，还成为了旨在将超导线路与其他量子系统相结合的各种混合设备的关键部件。然而，在该领域，理解和缓解超导线路中的退相干源仍然是一项重要的工作，尤其是在考虑引入新元件和自由度的混合系统时。一个重要的退相干机制是超导体中库珀对的断裂，这一过程中产生了所谓的准粒子。准粒子导致能量弛豫和量子比特的退相位，而这些效应可以通过在由微波驱动的约瑟夫森结附近受控注入准粒子来研究。研究还表明，由高能粒子产生的准粒子（比如高能光子或放射性衰变产物）甚至会导致多个量子比特之间的关联错误，这对量子纠错协议尤其不利。为了缓解这些不利影响，以前的研究主要集中在屏蔽超导线路免受环境高能辐射。然而，测得的准粒子密度仍比热平衡时预测的要高几个数量级。此外，微波-光学量子转导器等混合器件需要在超导线路附近引入大量光学光子，这可能会导致显著的、额外的退相干。
方法
如图1所示，研究团队构建了一个基于铝制transmon量子比特的实验装置，该量子比特位于蓝宝石基底上，并被放置在一个三维铝制微波腔内。而这个微波腔被放置于一个工作温度约为10毫开尔文的稀释制冷机的基座上。腔壁上开有小孔，允许激光束进入和离开腔。波长为1550纳米的激光经由光纤导入稀释制冷机，并聚焦于量子比特所在平面，形成一道47微米的光束。实验中使用了可变光衰减器（variable optical attenuator）和与光纤耦合的声光调制器（fiber-coupled acousto-optic modulator）来控制激光脉冲的功率和持续时间。在稀释制冷机的基座上，光纤被粘合至一个输入透镜，并安装在电动倾斜台上，以改变激光斑点的位置。使用光纤耦合器收集从腔另一侧传出的光。通过改变激光束位置、测量透射光，可以获取低分辨率图像，并由此确定激光束相对于量子比特的位置。红外光子的能量远大于铝的超导能隙。当红外光子入射到装置上时，会在超导膜和基底中产生高能激发态，这些激发态通过包含声子、电子和其他准粒子散射相互作用的级联微观过程转化为大量低能准粒子。低能准粒子的数量随时间减少，这主要归因于以下两个过程：一是准粒子被囚禁在超导体的边缘处或是被囚禁在由残留磁场引起的涡旋内；二是这些电子激发态重新组合成库珀对，主要通过声子的产生释放能量，并返回到超导凝聚体。通过测量量子比特激发态的衰减率，可以直接推断出由光引起的准粒子密度。
研究结果
研究人员发现，量子比特的激发态寿命会受到入射光的影响，但恢复速度比以前在类似设备中使用微波诱导准粒子的实验快一个数量级。此外，基于囚禁和重组的准粒子布居衰减模型能够很好地描述量子比特相干性的恢复动力学。
图1：装置示意图。
图2：用连续波激光辐射进行的测量。
图3：在位置A处的时间分辨测量。主要研究人员
Rodrigo Benevides，2013年获得圣卡洛斯联邦大学工程物理学学士学位，2016年获得坎皮纳斯大学纳米光子学和应用物理学硕士学位，2021年获得坎皮纳斯大学和代尔夫特理工大学的物理学博士学位。2021年起，在苏黎世联邦理工学院的混合量子系统小组担任博士后研究员。研究方向为集成纳米光子学、超导量子比特及其在量子计算中的应用。Maxwell Drimmer，2018年获得斯坦福大学物理学学士学位，2020年获得代尔夫特理工大学应用物理硕士学位，目前正在苏黎世联邦理工学院物理系攻读博士学位。Gianluigi Catelani，2005年获得美国哥伦比亚大学物理学博士学位，目前为于利希-亚琛研究联盟（JARA）量子信息研究所（PGI-11）首席研究员，研究方向为介观物理、超导器件。Yiwen Chu，苏黎世联邦理工学院物理系物理系助理教授。