[論文レビュー] Decoherence of a tunable capacitively shunted flux qubit

R. Trappen, Xi Dai+20 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2023

Quantum and electron transport phenomenaPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、量子アニーリング用に設計された可変容量結合フラックスキュービットにおけるデコherence機構を調査し、3 GHz未満では内在的フラックスノイズが主な緩和要因であり、3 GHzを超える周波数ではバイアスラインの熱ノイズが支配的であることを特定した。主な発見として、キュービットの2つのループにおける低周波数フラックスノイズがデコherenceを引き起こし、ループ間のノイズ相関が可能性として示唆された。これは、より高いコherencesを実現するスケーラブルな量子アニーリング器の設計改善に寄与する。

ABSTRACT

Quantum annealing is a method to solve optimization problems that leverages quantum tunneling in a coupled qubit system. We present a detailed study of the coherence of a tunable capacitively-shunted flux qubit, designed for coherent quantum annealing applications. We find that for high qubit frequencies, thermal noise in the bias line makes a significant contribution to the relaxation, arising from the design choice to experimentally explore both fast annealing and high-frequency control. The measured dephasing rate is primarily due to intrinsic low-frequency flux noise in the two qubit loops, with additional contribution from the low-frequency noise of control electronics used for fast annealing. Our results characterize decoherence in a realistic setup for quantum annealing and are relevant for ongoing efforts toward building superconducting quantum annealers with increased coherence.

研究の動機と目的

• 量子アニーリング応用を想定した可変容量結合フラックスキュービットにおける緩和およびデコherenceメカニズムを同定すること。
• さまざまなキュービット周波数およびフラックスバイアスにおけるT₁およびTϕに影響を与える支配的ノイズ源を特定すること。
• X-およびZ-フラックスループ間のノイズ相関がキュービットコヒーレンスに与える影響を調査すること。
• 臨界電流ノイズ、光子ショットノイズ、準粒子効果がデコherenceに与える寄与を評価すること。
• 主要なデコherenceチャネルを特定することで、今後の高コヒーレンス超伝導量子アニーリング器の設計を支援すること。

提案手法

• さまざまなフラックスバイアスおよびキュービット周波数において、緩和時間T₁およびラムゼイデコherence時間Tϕを測定した。
• デコherence率をノイズのパワー スペクトル密度（PSD）およびノイズ結合演算子の行列要素に関連付けるために、Bloch-Redfield理論を用いた。
• 数値回路モデリングを用いて、臨界電流およびフラックスバイアスに対するキュービット周波数の感度を計算し、ノイズによるデコherenceの推定を可能にした。
• 任意波形発生器（AWGs）からの電子的ノイズを制御し、その寄与をデコherenceから分離するために、ローパスフィルタ（100 MHzおよび32 kHz）を適用した。
• 準静的およびマコリアン近似から導出された解析的表現を用いて、2次フラックスノイズ結合および光子ショットノイズの寄与を評価した。
• 電荷ノイズおよび準粒子効果を評価するために、電荷オフセットの変化に伴う周波数シフトを測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる周波数領域において、容量結合フラックスキュービットの緩和（T₁）を支配する主なノイズ源は何か？
• RQ2 X-およびZ-フラックスループにおけるフラックスバイアス依存性がデコherence（Tϕ）に与える影響は何か？ これによりノイズ相関にどのような示唆が得られるか？
• RQ3 臨界電流ノイズ、光子ショットノイズ、準粒子効果が、内在的フラックスノイズと比較してデコherenceにどの程度寄与しているか？
• RQ4 バイアスラインおよび制御エレクトロニクスにおける熱ノイズが、高周波数キュービットにおいてコヒーレンスにどのように影響するか？
• RQ5 観測されたデコherence挙動は、1次フラックスノイズ結合によって説明可能か？ それとも高次効果が顕著か？

主な発見

• 約3 GHz未満では、対称点における緩和は、主にメインキュービットループ内の内在的低周波数フラックスノイズによるものである。
• 3 GHzを超える周波数では、高速アニーリングと高周波数制御を可能にする設計の特性上、バイアスラインにおける熱ノイズが緩和に顕著な寄与を示す。
• デコherenceは、X-およびZ-フラックスループ両方における内在的低周波数フラックスノイズによって支配されており、高速アニーリング制御エレクトロニクスの低周波数ノイズからの追加寄与も見られた。
• デコherence時間のフラックスバイアス依存性から、2つのキュービットループ間のノイズ相関が顕在した。これは、非局所的フラックスノイズまたは接合の臨界電流ノイズが原因である可能性を示唆する。
• 臨界電流ノイズは、1接合あたりの正規化振幅4.0×10⁻⁶で推定され、デコherenceに顕著な寄与を示し、X-およびZループ間のノイズ相関を説明できる可能性がある。
• 光子ショットノイズおよび2次フラックスノイズ結合の寄与は無視できる程度であり、推定されるデコherenceレートはそれぞれ約1 kHzおよび約1 MHzにとどまり、測定値とは著しく低い。