Кратко — сначала общие соображения, затем по типам кубитов: механизмы декогеренции, зависимость от материалов/окружения и методы подавления.
Общие формулы и понятия
- Энергетическое расслабление и фазовая декогеренция: $T_1$ и $T_2$ связаны как
$$\frac{1}{T_2}=\frac{1}{2T_1}+\frac{1}{T_{\phi }},$$ где $T_{\phi }$ — время чистой де-фазировки.
- Скорость релаксации через фейнмановское правило зависит от спектральной плотности возмущения на частоте перехода:
$$\frac{1}{T_1}\propto |⟨e|V|g⟩{|}^{2}S({\omega }_q).$$ - Фазовая ошибка от флуктуаций внешнего параметра описывается через спектральную плотность шума $S(\omega )$ и фильтр-функцию управляющих последовательностей:
$$\chi (t)=\int \frac{d\omega }{2\pi }S(\omega )|\tilde{f}(\omega t){|}^2,$$ и деполяризация $\sim \exp [-\chi (t)]$.
1) Суперпроводниковые кубиты (transmon, Xmon, flux, fluxonium)
- Доминирующие механизмы:
- Диссипация в диэлектриках/интерфейсах (TLS — двухуровневые системы) → снижение $T_1$.
- Шум тока/магнитного потока (для flux/phase) и шум заряда (для charge), приводящие к флуктуациям частоты → $T_{\phi }$.
- Квазичастицы (quasiparticle poisoning) вызывают спонтанные релаксации.
- Излучательный (Purcell) эффект при плохой инженерии линии выхода.
- Зависимость от материалов/окружения:
- Толщина/состояние поверхностных окислов, диэлектрические потери на границах металл/субстрат (sapphire, Si).
- Наличие дефектов в аморфных диэлектриках повышает TLS; металл (Al, Nb) и качество интерфейса критичны.
- Температура и инфракрасное излучение создают квазичастицы.
- Стратегии подавления:
- Архитектурные «sweet‑spots» и дизайн с малой чувствительностью к шуму (transmon уменьшает чувствительность к заряду).
- Высококачественные материалы и обработка поверхностей, удаление/пассивирование аморфных диэлектриков.
- 3D-резонаторы, Purcell‑фильтры, оптимизация слабой связи к линиям ввода-вывода.
- Квазичастичные ловушки, фильтры ИК-радиации, снижение температуры.
- Динамическая коррекция/запутывание и квантовая коррекция ошибок в масштабируемых схемах.
2) Электронные спин‑кубиты в квантовых точках и донорные спины (Si/SiGe, GaAs, P в Si)
- Доминирующие механизмы:
- Гиперполяризационный шум ядер (Overhauser field) → быстрая адиабатическая де-фаза $T_2^{\ast }$.
- Шум заряда/электростатические флуктуации влияющие на обменный спин‑спин и спин–орбиталные смешения.
- Спин‑фононные релаксации (spin‑lattice), зависящие от спин‑орбитального взаимодействия и частоты.
- Зависимость от материалов/окружения:
- В материалах с немагнитными ядрами (изотопно очищенный ${}^{28}$Si) ядерный шум сильно снижен.
- В GaAs высокая плотность ядер со спином → короткий $T_2^{\ast }$.
- Интерфейсные дефекты и заряды в окислах усиливают электро‑шум.
- Стратегии подавления:
- Изотопная очистка (${}^{28}$Si) и динамическое ядерное поляризование/контроль ядёрного поля.
- Операции в «sweet‑points» и использование симметричных режимов обмена для уменьшения чувствительности к шуму заряда.
- Динамическое декуплирование (CPMG, XY‑seq), двухкубитные схемы с шум‑защищённой логикой.
- Охлаждение, улучшение качества интерфейсов и пассивация окислов.
3) Трапленные ионы
- Доминирующие механизмы:
- Деградация когерентности вследствие флуктуаций магнитного поля (для магнитно-зависимых уровней) и лазерного фазы/амплитудного шума.
- Мотиональное нагревание (electric-field noise) влияет на кулоновское движение при схемах, завязанных на мотиональном моде.
- Спонтанное излучение при оптических переходах (ограничивает время когерентных опер.).
- Зависимость от окружения:
- Вакуум, материал электродов ловушки, температура и близость ионов к поверхностям (surface noise).
- Лазерная стабильность и акустическая/термическая стабильность оптики.
- Стратегии подавления:
- Магнитные «clock» состояния или переходы с малой магнитной чувствительностью.
- Уменьшение мотионального шума: охлаждение, улучшение качества электродов, большие расстояния до поверхности или cryo‑ловушки.
- Узколинейные лазеры, активная стабилизация фазы/интенсивности и использование Raman‑схем с большим отстройкой для уменьшения спонтанного рассеяния.
- Динамическое декуплирование, симпатическое охлаждение.
4) Нейтральные атомы и Rydberg‑кубиты
- Доминирующие механизмы:
- Спонтанное излучение (особенно для Rydberg состояний), фонон‑подобные эффекты в оптических ловушках (флуктуации интенсивности/позиции).
- Декогеренция от флуктуаций поля лазеров и чёрного‑тела.
- Зависимость:
- Качество оптических полей, вакуума, преобладание столкновений с остаточным газом.
- Стратегии:
- Глубокие ловушки, оптическая изоляция, стабильные лазеры, использование более долгоживущих состояний, электростатическое/магнитное экранирование.
- Быстрые гейты, оптимизация отстройки Rydberg уровней.
5) NV‑центры и другие центры цвета (алмаз, SiC)
- Доминирующие механизмы:
- Ядерный спиновый шум от ${}^{13}$C и других примесей → $T_2^{\ast }$.
- Фонон‑индуцированная декогеренция и фотон‑бликовка (charge state fluctuations).
- Зависимость:
- Магистраль: тип и чистота кристалла (изотопное обогащение ${}^{12}$C), поверхностные дефекты у наночастиц.
- Стратегии:
- Изотопная очистка, химическая обработка поверхности, динамическое декуплирование (удлинение $T_2$ до миллисекунд/секунд).
- Охлаждение, управление состоянием заряда, размещение в оптических резонаторах для улучшения сбора фотонов.
6) Фотонные кубиты
- Доминирующие механизмы:
- Потери в волноводах/оптике (attenuation), рассеяние, фазовый шум лазера и нелинейные де-фаcторы.
- Декомпозиция поляризации при прохождении через реальные элементы.
- Зависимость:
- Качество материалов оптических волокн/резонаторов, температурные и механические флуктуации.
- Стратегии:
- Низко‑потерянные волноводы/фбр‑резонаторы, активная стабилизация фаз, кодирование (time‑bin, dual‑rail), повторители и коррекция ошибок/усиление.
7) Топологические/Majorana‑кубиты (экспериментально пока ограниченно)
- Доминирующие механизмы:
- Квазичастичное «отравление» (poisoning) пар электронов, гибридизация краевых состояний, тепловые возбуждения.
- Зависимость:
- Величина топологического зазора, чистота и однородность проводников/суперпроводников, температура.
- Стратегии:
- Увеличение зазора, паритетная стабилизация, уменьшение источников квазичастиц, материал‑инженерия.
Общие практические меры, применимые ко всем платформам
- Материалы и обработка поверхностей: уменьшение дефектов и диэлектрических потерь, изотопная очистка там, где важен ядерный шум.
- Экранование и фильтрация: магнитное/электрическое/оптическое экранирование, ИК‑фильтры, низкопропускные фильтры для линий.
- Охлаждение и контроль квазичастиц: cryo‑оборудование, ловушки квазичастиц.
- Управление шумом управления: узколинейные лазеры, тщательная электронная фильтрация, активная стабилизация.
- Программные меры: динамическое декуплирование (CPMG, UDD, XY), оптимизированные пульсы с шумовой фильтрацией, встраивание в код коррекции ошибок (QEC).
Заключение (суть): доминирующий механизм зависит от носителя информации и его взаимодействия с конкретным окружением: в суперпроводниках — интерфейсные TLS/диэлектрические потери и квазичастицы; у спин‑кубитов — ядерный шум и charge/phonon coupling; у ионов/атомов — лазерная и полевая нестабильность и мотиональный нагрев; у NV — ядерные спины и поверхность. Универсальные контрмеры — улучшение материалов/пассивизация, экранирование и охлаждение, активная стабилизация и динамические/квантово‑ошибочные схемы.