3. 量子比特相干时间骤降的噪声源排查
失效现象与噪声通道的对应关系
当同一器件上 T1 与 T2 同时显著下降（例如从 40 μs / 35 μs 降到 12 μs / 8 μs），说明能量弛豫与退相位两条通道都被打开。三类常见噪声源在时域与频域上留下不同"指纹"，排查的核心是把测量结果映射到噪声通道上，再用对照实验排除竞争假设。
时域测量：先看曲线形状，再看数值
用标准 T1 反演脉冲（π 脉冲后延迟 τ，再 π/2 读出）与 Ramsey / 回波序列分别测 T1、T2*、T2 echo。关键不是只记录一个拟合值，而是保留原始衰减曲线：
- 单指数平滑衰减：多为介质损耗或磁通噪声的稳态贡献。
- 双指数或带"台阶"的衰减：提示存在准粒子中毒事件，T1 在某个时刻突然变短后缓慢恢复。
- T2* 远小于 T2 echo：低频磁通噪声主导退相位，回波能部分抵消慢变噪声。
示例判据（教学示例数据，非实测）：若 T1 从 40 μs 降到 12 μs，而 T2 echo 仍保持约 30 μs、T2* 仅 8 μs，则退相位主要来自低频噪声，优先怀疑磁通噪声；若 T1 与 T2 echo 同步降到 12 μs 附近，则能量弛豫通道被打开，优先怀疑介质损耗或准粒子。
噪声谱分析：把时域抖动换成频域指纹
对重复测量的比特频率做长时间采样（例如每 1 s 采一次，连续 2 小时），做功率谱密度估计：
# 教学示例：频率抖动序列的 PSD 斜率判别（伪数据可替换为实测）
import numpy as np
fs = 1.0 # 采样率 1 Hz
t = np.arange(0, 7200) / fs
# 构造 1/f 通量噪声 + 白噪声背景（示例参数）
rng = np.random.default_rng(7)
flicker = np.cumsum(rng.normal(0, 1, t.size))
flicker -= flicker.mean()
freq_jitter = 2e-5 * flicker + 3e-6 * rng.normal(0, 1, t.size) # 单位 GHz
f, Pxx = __import__("scipy.signal", fromlist=["welch"]).welch(
freq_jitter, fs=fs, nperseg=1024)
mask = (f > 1e-3) & (f < 0.2)
slope = np.polyfit(np.log10(f[mask]), np.log10(Pxx[mask]), 1)[0]
print(f"低频段谱斜率 ≈ {slope:.2f}")
# 斜率接近 -1 → 1/f 磁通噪声；接近 0 → 白噪声/准粒子宽带；无明显峰 → 介质损耗背景判读要点：
- 斜率 ≈ −1 且低频抬升明显 → 磁通噪声（1/f 通量噪声）。
- 谱平坦、无 1/f 特征，但 T1 骤降 → 准粒子中毒（宽带、非平衡激发）。
- 谱中无显著低频抬升，T1 随功率恶化 → 介质损耗（TLS 饱和行为）。
对照实验：一次只改一个变量
三类噪声源的对照实验设计如下，每组实验都应保留同批正常器件作为参照：
| 假设通道 | 对照变量 | 预期现象 | 排除条件 |
|---|---|---|---|
| 介质损耗 | 改变读出/驱动功率 | T1 随功率增大而下降（TLS 未饱和） | 功率变化对 T1 无影响 |
| 准粒子中毒 | 加装红外屏蔽、滤光片 | T1 恢复或衰减曲线变平滑 | 屏蔽前后 T1 无差异 |
| 磁通噪声 | 固定磁通偏置点、比较 T2* 与 T2 echo | T2 echo 显著优于 T2*，偏置点敏感 | 回波无改善、偏置不敏感 |
若两组对照实验同时出现预期现象，说明存在多个噪声通道叠加，应按贡献比例排序，优先处理主导通道，再复测 T1/T2 确认改善幅度。
排查记录要点
- 记录 T1、T2*、T2 echo 的原始衰减曲线与拟合参数，不只记单一数值。
- 记录噪声谱的采样时长、采样率与低频段斜率。
- 记录每组对照实验前后的 T1/T2 变化量，以及同批正常器件的基线值。
- 结论需写明主导噪声通道、支持证据与排除的竞争假设。