[論文レビュー] Two-Level System Spectroscopy from Correlated Multilevel Relaxation in Superconducting Qubits

Tanay Kumar Roy, Xinyuan You+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2026

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ひとこと要約

論文は多レベル緩和に基づく固定周波数トランモン TLS 分光法を提案し、相関する緩和時間 T1e と T1f を抽出してキュービット周波数を調整せずに支配的 TLS を同定・追跡する。

ABSTRACT

Transmon qubits are a cornerstone of modern superconducting quantum computing platforms. Temporal fluctuations of energy relaxation in these qubits are widely attributed to microscopic two-level systems (TLSs) in device dielectrics and interfaces, yet isolating individual defects typically relies on tuning the qubit or the TLS into resonance. We demonstrate a novel spectroscopy method for fixed-frequency transmons based on multilevel relaxation: repeated preparation of the second excited state and simultaneous $T_1$ extraction of the first and second excited states reveals characteristic correlations in the decay rates of adjacent transitions. From these correlations we identify one or more dominant TLSs and reconstruct their frequency drift over time. Remarkably, we find that TLSs detuned by $\gtrsim 100\,\mathrm{MHz}$ from the qubit transition can still significantly influence relaxation. The proposed method provides a powerful tool for TLS spectroscopy without the need to tune the transmon frequency, either via a flux-tunable inductor or AC-Stark shifts.

研究の動機と目的

• 固定周波数トランモンにおける TLS 誘起緩和の正確な理解を促進し、超導量子ビットデバイスのコヒーレンスとスケーラビリティを改善する。
• Flux 調整や大きな AC-Stark 効果を使わず、多レベル緩和を用いて支配的 TLS を同定・特徴付けするプロトコルを開発する。
• 共鳴外れTLS（>100 MHz の detuning） が緩和に有意な影響を与え得ることを示し、近接に基づく TLS 識別の限界を示す。

提案手法

• 第2励起状態でトランモンを用意し、3レベルの T1 分析を実施して同時に T1e と T1f を抽出する。
• 減衰を Gamma21 と Gamma10 を含む単純な多レベル速度方程式でモデル化し、人口ダイナミクスを適合させる。
• omega01 および omega12 を一定と仮定し、支配的 TLS 周波数変動 omega_TLS(t) と固定線幅 gamma_TLS による TLS 拟合を行う。
• 日を跨いだ T1e(t) および T1f(t) の時系列適合を行い TLS 周波数軌跡を再構築する。
• 単一 TLS モデルまたは二 TLS モデルを用いて T1e と T1f の相関を説明し TLS パラメータを抽出する。
• 3x3 の割り当て行列を用いて三準位読み出しの測定誤差を緩和し、それを反転して理想的確率を回復する。

Figure 1: The transmon device (a) The anharmonic energy eigenstates of a transmon circuit. The $|2\rangle\rightarrow|1\rangle$ and $|1\rangle\rightarrow|0\rangle$ decay rates $\Gamma_{21}$ and $\Gamma_{10}$ can significantly deviate from the bosonic relation $\Gamma_{21}=2\Gamma_{10}$ . (b) A schema

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定周波数トランモンは周波数走査なしに TLS ダイナミクスを明らかにできるか？
• RQ2 隣接遷移の減衰速度間の相関は支配的 TLS とその周波数ドリフトを時間とともに明らかにできるか？
• RQ3 TLS が緩和に実質的な影響を与えなくなる最小の周波数デタuning はどれくらいか？
• RQ4 観測された T1 揺らぎを説明するには単一 TLS で足りるか、それとも複数 TLS が必要か（単一 TLS 対 多 TLS）？

主な発見

• T1e と T1f はデバイスAで時間依存の変動を示し、二つの遷移間に強い反相関が見られ、支配的 TLS が1つ存在することと一致する。
• TLS 周波数ドリフトは時間とともに再構成可能で、約10 MHz 程度の wander を示す。
• デバイスB は T1e–T1f の相関が弱く、下位遷移付近とより安定な高位遷移付近の2TLSモデルで最もよく説明される。
• qubit 遷移から >100 MHz 離れた TLS も、ノイズスペクトルのローレンツ型尾部を介して緩和に有意な影響を与え得る。
• Gamma21 と Gamma10 の比はボゾン型期待値 Gamma21 = 2 Gamma10 から外れ、周波数選択性損失チャネルの高度な感度を提供する。

Figure 2: $T_{1}$ experiment with three-levels. (a) Pulse sequence for the $T_{1}$ experiment. The two $\pi$ pulses acting on the ground state $|0\rangle$ bring the transmon to the second excited state $|2\rangle$ . A three-level readout is performed after a variable period $\Delta t$ . A waiting ti