[論文レビュー] Cosmic muon flux attenuation methods for superconducting qubit experiments

E. Bertoldo, M. Martínez+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2023

Particle Detector Development and Performance被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、超伝導キュービット実験における宇宙線ミューオンフラックスを低減する2つの実用的手段を提案する：チップを水平方向に向けて配置することでミューオン数を1.6倍減少させること、および浅い地下施設（例：100 mの深さ）を活用することで最大35倍の減衰を達成すること。著者らは独自に開発したミューオン検出器を用いて両手法の有効性を検証し、キュービットの安定性にとって重要なミューオン誘発ノイズを、環境的シールドとデバイス配置によって顕著に低減できることを示した。

ABSTRACT

We propose and demonstrate two practical mitigation methods to attenuate the cosmic muon flux, compatible with experiments involving superconducting qubits: shallow underground sites and specific device orientation. Using a specifically-built cosmic muon detector, we identify underground sites, widely present in urban environments, where significant attenuation of cosmic muon flux, up to a factor 35 for 100-meter depths, can be attained. Furthermore, we employ two germanium wafers in an above-ground laboratory, each equipped with a particle sensor, to show how the orientation of the chip with respect to the sky affects the amount and type of energy deposited on the substrate by ionizing radiation. We observe that the horizontal detector sees more counts at lower energy, while the vertical one is impacted by more particles at higher energy. The methods here described proposed ways to directly understand and reduce the effects of cosmic rays on qubits by attenuating the source of this type of decoherence, complementing existing on-chip mitigation strategies. We expect that both on-chip and off-chip methods combined will become ubiquitous in quantum technologies based on superconducting qubit circuits.

研究の動機と目的

• 宇宙線ミューオンに起因する超伝導キュービットのデ coherent 化を是正するため、現時点では主要なノイズ要因ではないものの、今後の課題として顕在化している問題に対処すること。
• キュービットデバイスに到達するミューオンフラックスを直接低減する、実用的でチップ外の緩和戦略を同定・検証すること。
• 環境的シールドとデバイスの向きを工夫することで、深地下施設を要せずともミューオンフラックスを顕著に低減できることを示すこと。
• 他の研究グループが再現可能なように、ポータブルで再利用可能なミューオン検出システムを提供すること。
• 将来的なフォールトトレランス量子計算において、オンチップノイズ低減と併せて、ミューオンフラックス低減を重要な補完的戦略として位置づけること。

提案手法

• 実際の環境で動作するポータブルで2スチナティレーター coincidence ミューオン検出器を設計・製作し、宇宙線ミューオンフラックスを測定した。
• 検出器を用いて、地上レベル、さまざまな浅い地下施設（例：地下鉄トンネル、シンクロトロンの地下部分）、および天頂からの相対的チップの向きを変えた状態でミューオン数を測定した。
• ミューオンフラックスがチップの向きに応じてどのように変化するかを定量化するために、斜めの角度での大気吸収を考慮した角度依存モデルを適用した。
• 岩盤の上被りの深さに応じたミューオンフラックスの減衰を測定し、既知のミューオン吸収物理学に一致する指数関数的減衰傾向を確認した。
• 検出器のデッドタイムに起因する誤った一致計数を差し引くことで、正確なフラックス測定を保証した。
• 中程度のシールド効果を得られる代表的な浅い地下実験施設として、ALBAシンクロトロンの地下部分を用い、性能をベンチマークした。

Figure 1 : Illustration of the detector-coincidence concept to detect muons and filter out the signals from $\alpha$ , $\beta$ and $\gamma$ radiation, that do not produce coincidences.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チップを水平方向に向けて配置することで、超伝導キュービット実験における宇宙線ミューオンフラックスの露出を低減できるか？
• RQ2 10～100 mの深さの浅い地下施設は、地上レベルと比較してどれほど宇宙線ミューオンフラックスを減衰させられるか？
• RQ3 チップの向きと浅い地下シールドを併用することで、どれほどミューオンフラックスを定量的に低減できるか？
• RQ4 浅い地下施設（例：重金属鉱物由来）の環境的放射能は、ミューオン検出にどのような影響を及ぼし、追加のシールドを要するか？
• RQ5 ポータブルで低コストなミューオン検出器は、多様な実験環境で信頼性を持ってミューオンフラックスを特徴付けるために使用可能か？

主な発見

• チップを水平方向に向けて配置した場合、大気中を通過する距離が延びて吸収が増加するため、天井を向いた場合に比べてミューオンフラックスが1.6倍減少した。
• 100 mの深さでは、地上測定値と比較してミューオンフラックスが最大35倍まで減衰した。バリ・ビドラ・トンネルでは36倍の減衰を達成した。
• 6 mの浅い深さの地点でもミューオンフラックスが2倍に減少した。これは、極めて浅い深さでも顕著な保護効果があることを示している。
• ALBAシンクロトロンの地下部分では1.1 CPMの測定値を記録し、地上（40 CPM）と比較して36倍のスクリーニング要因を確認した。これは効果的なシールドを示している。
• TMB地下鉄トンネルでは1.4 CPM（29倍のスクリーニング）を記録したが、周囲の重金属鉱物由来の局所的放射能の影響で地上値よりわずかに高くなった。このため、鉛などの追加シールドが要る可能性があった。
• 100 mの深さではミューオンイベントレートが約3×10⁻⁴ s⁻¹ cm⁻²に低下し、1 cm²のデバイス面積あたりの影響は0.3 mHzにまで低下した（地上では9 mHz）。これは、イオン化放射線への影響が顕著に低減されていることを示している。

Figure 2 : The muon detector inside the suitcase. The upper part is the power circuitry including the network inlet, the power supply and low voltage regulators, the HV generators and the lead battery for standalone operation without power connection. Below we positioned the two scintillator detecto