[論文レビュー] Electrical post-fabrication tuning of aluminum Josephson junctions at room temperature

Christian Križan, Maurizio Toselli+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2026

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ひとこと要約

論文は室温の電気パルスがアルミニウム Josephson 接合の抵抗を可制御で増加させ、量子ビットの周波数を調整できることを示しており、最大270%の抵抗変化と品質係数が100万超の量子ビットを含み、調整範囲を拡張する階段状プロトコルを含む。

ABSTRACT

Josephson junctions are a key element of superconducting quantum technology, serving as the core building blocks of superconducting qubits. We present an experimental study on room-temperature electrical tuning of aluminum junctions, showing that voltage pulses can controllably increase their resistance and adjust the Josephson energy while maintaining qubit quality factors above 1 million. We find that the rate of resistance increase scales exponentially with pulse amplitude during manipulation, after which the spontaneous resistance increase scales proportionally to the amount of manipulation. We show that this spontaneous increase halts at cryogenic temperatures, and resumes again at room temperature. Using our stepwise protocol, we achieve up to a 270% increase in junction resistance, corresponding to a reduction of nearly 2 GHz of the qubit transition frequency. These results establish the achievable range, relaxation behavior, and practical limits of electrical tuning, enabling post-fabrication mitigation of frequency crowding in quantum processors.

研究の動機と目的

• superconducting qubits における製造による周波数混雑を動機とし、室温での Josephson 接合の選択的ポストファブリケーション抵抗チューニングを開発すること。
• 接合抵抗の老化と緩和を特徴付け、アクティブな操作が自発的な変化とどのように相互作用するかを理解すること。
• 実質的で制御可能な抵抗変化を達成しつつ、量子ビット性能を維持するプロトコルを実証すること。
• プロセッサにおける正確な周波数ターゲティングを可能にするため、実用的な限界、範囲、緩和挙動を評価すること。

提案手法

• 個々の Josephson 接合にバイポーラ電圧パルス列を適用して抵抗変化を誘発（能動的抵抗操作）。
• 操作中の抵抗進化を2次時刻依存でモデル化: ΔR(t)=α(V)·t+β(V)·t^2、ここで α(V) と β(V) は線形および二次寄与を捉える。
• フィットから α(V) と β(V) を抽出； α(V) はパルス振幅と指数的にスケールすることを発見: α(V)=α0·e^{V/V0}，V0 ≈55–91 mV。
• ステップ状操作を導入し、ステップ間の緩和期間を設けてより大きな抵抗変化を蓄積する。
• 操作後の自発的緩和を特徴付け、対数時間依存とactive change に比例する一定オフセット寄与を見出す。
• 冷却サイクルを跨いだ f01, T1, T2 を測定し、量子ビットの品質係数を導出してトランスモン量子ビットへの影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温で電気的に誘導される Al Josephson 接合の抵抗変化の達成範囲はどこまでで、それが量子ビット周波数にどのように影響するか。
• RQ2 アクティブ抵抗操作が固有の老化と操作後の緩和とどのように相互作用し、緩和ダイナミクスはどうなるか。
• RQ3 ステップ状操作は接合の健全性と量子ビット性能を維持しつつ、達成可能な抵抗範囲を拡張できるか。
• RQ4 抵抗チューニングがトランスモン量子ビットのコヒーレンスと品質係数を冷却サイクルを跨いでどう影響するか。

主な発見

• 能動的な抵抗操作は電圧依存で抵抗変化の速度を指数関数的に増加させ、いくつかのサンプルで5分間に最大96.2%の増加を達成。
• ステップ状操作は最大270% の抵抗増加に達し、対応する量子ビット周波数シフトは約 -1964 MHz。
• 操作後の緩和は総抵抗変化に線形寄与を加え、対数時間依存に従い、緩和後約30分で追加の約3.29% の抵抗が観測される。
• 総抵抗操作に対する線形勾配は高線量接合でほぼ単位であり、一定の緩和挙動を示す。一部サンプルでは1を超え、操作依存の緩和を示す。
• 一度の操作ステップ後も量子ビットの品質係数は1–1.5 百万の範囲にとどまり、 substantial なチューニングにもかかわらず量子ビット性能が維持されることを示す。