[论文解读] 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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一句话总结

本文提出一种基于多水平弛豫的固定频率 transmon TLS 光谱学方法，提取相关的弛豫时间 T1e 和 T1f 以识别并跟踪主导 TLS，从而在不调谐量子比特频率的情况下实现 TLS 跟踪。

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.

研究动机与目标

• 推动对固定频率 transmon 中 TLS 引起的弛豫的精确理解，以提高超导量子比特器件的相干性和可扩展性。
• 开发一个利用多水平弛豫来识别和表征主导 TLS 的协议，而不需要通量调谐或大幅度的 AC-Stark 位移。
• 证明离共振 TLS（由 qubit 频率误差 >100 MHz 的 TLS）也会显著影响弛豫，挑战基于邻近性的 TLS 识别。

提出的方法

• 将 transmon 置于第二激发态，并执行三能级 T1 分析以同时提取 T1e 和 T1f。
• 用包含 Gamma21 和 Gamma10 的简单多水平速率方程来拟合人口动力学的衰减。
• 假设 omega01 和 omega12 为常量，主导 TLS 的频率漂移 omega_TLS(t) 和固定带宽 gamma_TLS 用于 TLS 拟合。
• 跨天拟合随时间变化的 T1e(t) 和 T1f(t)，重构 TLS 的频率轨迹。
• 使用单 TLS 或双 TLS 模型来解释观测到的 T1e 与 T1f 的相关性并提取 TLS 参数。
• 通过一个 3x3 指派矩阵来减小 qutrit 读出中的测量误差，并对其求逆以恢复理想概率。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 固定频率的 transmon 能否在不扫频的情况下揭示 TLS 动态？
• RQ2 相邻跃迁的衰减率之间的相关性是否揭示主导 TLS 及其随时间的频率漂移？
• RQ3 在 TLS 相对于 qubit 跃迁的最小频率错位下，TLS 仍能显著影响 qubit 弛豫的阈值是多少？
• RQ4 在不同设备中观察到的 T1 波动需要多少个 TLS（单 TLS 还是多 TLS）来解释？

主要发现

• 在器件 A 中，T1e 和 T1f 表现出随时间的波动且存在强烈的反相关性，这与两跃迁之间的单一主导 TLS 相一致。
• TLS 的频率漂移可以被重构，漂移量大约为 ~10 MHz。
• 器件 B 显示出较弱的 T1e–T1f 相关性，最好用一个接近下跃迁的 TLS 和一个在上跃迁附近更稳定的双 TLS 模型来描述。
• 相比于量子比特跃迁，偏离 >100 MHz 的 TLS 仍能通过其噪声谱的洛伦兹尾部显著影响弛豫。
• Gamma21 相对于 Gamma10 的比值偏离玻色子预期 Gamma21 = 2 Gamma10，作为对频率选择性损耗通道的敏感探针。

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