宇宙射线诱导超导量子比特阵列相关误差的直接观测与机理研究

为解决量子纠错(QEC)中非局域相关误差的灾难性影响，中国科学院物理研究所团队通过监测多量子比特同步电荷宇称跳变(MQSCPJ)和比特翻转(MQSBF)，首次直接观测到宇宙射线μ子和γ射线诱发的准粒子(QP)爆发导致的相关误差，并量化了二者贡献比例(18.4% vs 81.6%)。该研究揭示了QP陷阱加速重组动力学(36μs)的特性，为开发粒子探测器及量子纠错策略提供了新思路。

　　

量子计算的实现面临一个根本性挑战：量子比特极其脆弱的环境敏感性。在超导量子系统中，宇宙射线与物质的相互作用会引发连锁反应——高能μ子和γ射线穿透器件时产生非平衡声子，这些声子进一步破坏库珀对形成准粒子(QP)爆发，最终导致多量子比特同时出错。这种相关误差会破坏表面码等拓扑量子纠错方案的非局域特性，使得传统纠错策略失效。谷歌"Sycamore"处理器曾观测到此类现象，但关键问题仍未解决：不同辐射源的贡献如何量化？QP动力学过程有何特征？

针对这些核心问题，中国科学院物理研究所联合多个团队在63量子比特翻转式Transmon处理器上展开研究。他们创新性地采用双模态监测策略：通过多量子比特同步电荷宇称跳变(MQSCPJ)捕捉QP隧穿事件，同时用比特翻转(MQSBF)评估实际错误率。实验装置中特别集成了两个μ子探测器，并采用铅屏蔽区分μ子和γ射线的贡献。相关成果以封面文章形式发表于《Nature Communications》。

关键技术包括：1) 采用不对称约瑟夫森结设计实现7.1GHz(操作点)和3GHz(电荷敏感点)双工作模式；2) 开发5.6μs快速电荷宇称映射序列；3) 在稀释制冷机内集成塑料闪烁体μ子探测器阵列；4) 通过QP注入实验标定检测灵敏度；5) 使用铅屏蔽量化γ射线贡献。

【Device and QP burst detection】
研究团队设计的翻转式Transmon量子比特采用钽(Ta)电容垫与铝(Al)约瑟夫森结的异质结构。关键创新在于利用Al膜(能隙0.18meV)作为天然QP陷阱，与高能隙Ta膜(0.69meV)形成能级梯度。通过优化EJ/EC比率(操作点83 vs 电荷敏感点16.5)，在保持量子比特性能的同时实现11MHz的电荷宇称分辨能力。

【Comparison of MQSCPJ and MQSBF】
QP注入实验揭示重要规律：电荷宇称跳变对QP爆发的灵敏度比比特翻转高18倍。当注入功率达到4dBm(对应结电压超过能隙电压)时，τ_CPJ出现显著变化而T₁保持稳定，证实MQSCPJ能更早检测到QP扰动。

【QP bursts induced by muons】
通过599秒连续监测捕获41次QP爆发与127次μ子事件的时空关联，统计分析显示偶然重合概率仅8.7×10^-4，却观测到10次重合事件。测得μ子诱导QP爆发的平均间隔为67±3秒，对应通量0.40±0.02 min^-1cm^-2。

【QP bursts induced by γ-rays】
铅屏蔽实验揭示关键数据：γ射线贡献占比达81.6±1.2%，屏蔽效率为29.9±1.5%。通过交替开关屏蔽的5次循环测量，确定非μ子QP爆发间隔从15.1±0.9秒(无屏蔽)延长至22.2±0.8秒(有屏蔽)。

【QP trapping and particle detection】
动力学分析发现QP重组时间仅36±3μs(MQSCPJ)和21±2μs(MQSBF)，比谷歌实验快2-3个数量级。这归因于Al膜陷阱效应：QP在Ta膜生成后快速扩散至低能隙Al膜被捕获，导致局部密度升高从而加速重组。

该研究首次实现了宇宙射线不同成分对量子处理器影响的定量解构，为量子纠错设计提供了关键参数：μ子诱导比特翻转的平均间隔25分钟仍远低于QEC算法需求(数小时)。讨论部分提出三重解决方案：地下实验室、μ子探测阵列实时定位、以及通过Al膜陷阱工程加速QP耗散。特别指出MQSCPJ技术可拓展应用于暗物质探测(keV-GeV能区)和远红外光子检测，其灵敏度源自电荷宇称跳变对单次QP隧穿事件的响应能力。这些发现不仅推动了量子计算容错架构的发展，也为新型粒子探测器开辟了跨学科研究路径。