[논문 리뷰] Two-Level System Spectroscopy from Correlated Multilevel Relaxation in Superconducting Qubits

Tanay Kumar Roy, Xinyuan You외 6명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 11.

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한 줄 요약

이 논문은 다중 레벨 이완에 기반한 고정 주파수 트랜몬 TLS 분광법을 제시하고, 상관된 이완 시간 T1e와 T1f를 추출하여 쿼비 주파수를 조정하지 않고 지배적인 TLS를 식별하고 추적한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고정 주파수 트랜몬에서 TLS로 인한 이완을 정밀하게 이해하여 초전도 큐비트 소자의 코히런스 및 확장성을 개선하려는 동기를 부여한다.
• 다중 레벨 이완을 이용해 플럭스 조정이나 큰 AC- Stark 시프트 없이 지배적 TLS를 식별하고 특성화하는 프로토콜을 개발한다.
• 오프 레조넌스 TLS(Detuned by >100 MHz)가 이완에 상당한 영향을 미칠 수 있음을 입증하여 근접 기반 TLS 식별에 도전한다.

제안 방법

• 트랜몬을 두 번째 들뜬 상태로 준비하고 3단 T1 분석을 수행하여 T1e와 T1f를 동시에 추출한다.
• Gamma21과 Gamma10을 포함하는 간단한 다층(rate) 방정식을 사용하여 인구 동역학을 피팅한다.
• 상수 ω01 및 ω12를 가정하고 지배적 TLS 주파수 드리프트 ω_TLS(t)와 고정 선폭 γ_TLS를 TLS 피팅에 사용한다.
• 일일에 걸친 시간 의존적 T1e(t) 및 T1f(t)를 피팅하여 TLS 주파수 trajectorie를 재구성한다.
• 하나의 TLS 모델 또는 두 TLS 모델을 사용하여 T1e와 T1f 사이의 관찰된 상관관계를 설명하고 TLS 매개변수를 추정한다.
• 3x3 할당 행렬을 사용한 측정 오차를 완화하고 이를 역전시켜 이상적인 확률을 회복한다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정 주파수 트랜몬은 큐비트 주파수를 스윕하지 않고도 TLS 다이내믹스를 드러낼 수 있는가?
• RQ2 연접 전이의 이완 속도들 간의 상관관계가 지배적 TLS 및 그 주파수 드리프트를 시간에 걸쳐 드러내는가?
• RQ3 TLS가 큐비트 이완에 여전히 충분히 영향을 주려면 TLS 주파수 detuning의 최소값은 무엇인가?
• RQ4 다른 장치에서 관찰된 T1 변동을 설명하기 위해 필요한 TLS의 수는 얼마나 되는가(단일 TLS 대 다중 TLS)?

주요 결과

• T1e와 T1f는 시간에 따라 변동을 보이며 장치 A에서 두 전이 사이의 단일 지배 TLS와 일치하는 강한 역상관을 보인다.
• TLS 주파수 드리프트는 시간에 걸쳐 재구성될 수 있으며 약 10 MHz 수준의 방황을 보인다.
• 장치 B는 약한 T1e–T1f 상관관계를 보이고, 하위 전이 근처의 하나와 상위 전이 근처의 더 안정적인 하나가 있는 두 TLS 모형으로 가장 잘 설명된다.
• 쿼비트 전이에서 >100 MHz로 detuned된 TLS도 그들의 노이즈 스펙트럼의 로렌츠Tail을 통해 이완에 상당한 영향을 줄 수 있다.
• Gamma21 대 Gamma10의 비는 보손 기대값 Gamma21 = 2 Gamma10와 다르게 벗어나며 주파수 선택적 손실 채널에 대한 민감한 프로브를 제공한다.

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