[論文レビュー] Energy Decay in Josephson Qubits from Non-equilibrium Quasiparticles

John M. Martinis, M. Ansmann+1 more|ArXiv.org|Apr 14, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、非平衡クーパーパairedがジョセフソンキュービットおよび超伝導共振器におけるエネルギー減衰の顕著な原因であると提唱し、一般化されたP(E)理論を用いてクーパーパairedトンネル効果に起因する緩和をモデル化している。このモデルは、実験的に測定されたクーパーパaired密度10/μm³と整合する減衰率を予測し、120 mKまでの温度上昇に伴う緩和率のわずかな低下、その後の熱励起による急激な上昇を説明している。

ABSTRACT

We calculate the energy decay rate of Josephson qubits and superconducting resonators from non-equilibrium quasiparticles. The decay rates from experiments are shown to be consistent with predictions based on a prior measurement of the quasiparticle density n_qp = 10/um^3, which suggests that non-equilibrium quasiparticles are an important decoherence source for Josephson qubits. Calculations of the energy-decay and diffusion of quasiparticles also indicate that prior engineered gap and trap structures, which reduce the density of quasiparticles, should be redesigned to improve their efficacy. This model also explains a striking feature in Josephson qubits and resonators - a small reduction in decay rate with increasing temperature.

研究の動機と目的

• 非平衡クーパーパairedがジョセフソンキュービットおよび共振器におけるエネルギー減衰に果たす役割を理解すること。
• クーパーパaired密度とキュービット緩和率Γ₁を結びつける理論的モデルの構築。
• 実験的に観測されたΓ₁の非単調な温度依存性（約120 mKで最小値を示す）を説明すること。
• 設計されたギャップおよびトラップ構造がクーパーパaired誘発デコherenceを抑制する効果を評価すること。
• クーパーパaired拡散長および再結合時間スケールの推定を通じて、将来のキュービット設計を支援すること。

提案手法

• 論文は環境的P(E)理論を拡張し、電子的およびホール的クーパーパairedのトンネルを含め、接合におけるエネルギー移動を考慮した。
• 初期クーパーパairedエネルギーおよび占有確率の積分を用いて、キュービットの減衰率Γ₁の一般式を導出。BCSの整合性因子および状態密度を組み込んだ。
• 先行実験から測定されたクーパーパaired密度n_qp = 10/μm³をモデルに用い、Γ₁を予測。実測の緩和率と良好な一致を示した。
• 電子-フォノンおよび電子-電子散乱率を用いてクーパーパaired拡散長を計算。平衡化長はミリメートルスケールであった。
• 電子-フォノン結合からクーパーパairedのエネルギー分布を推定。超伝導ギャップ付近にピークを持つ分布となった。
• エネルギー推定値を用いて、宇宙線、放射能、熱放射などのクーパーパaired注入源としての妥当性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非平衡クーパーパairedはジョセフソンキュービットおよび共振器におけるエネルギー減衰にどの程度寄与しているか？
• RQ2 温度上昇に伴い緩和率がわずかに低下するが、その後上昇するのはなぜか？
• RQ3 設計されたギャップおよびトラップ構造は、クーパーパaired密度およびデコherenceをどの程度効果的に低減できるか？
• RQ4 超伝導回路における関連するクーパーパaired拡散長および再結合時間スケールは何か？
• RQ5 観測されたクーパーパaired密度10/μm³を引き起こす物理的メカニズムは何か？

主な発見

• n_qp = 10/μm³に基づく予測されたエネルギー減衰率Γ₁は、実験的観測と妥当な一致を示し、非平衡クーパーパairedが顕著なデコherence要因であることを確認した。
• モデルは、120 mK付近で観測された緩和率の最小値を説明でき、クーパーパaired注入と基底状態占有率の低下という相反する効果の結果である。
• クーパーパaired拡散長はミリメートルスケールと推定され、局所的トラップでは不十分であり、効果的な抑制には大規模構造が必要であることを示唆した。
• エネルギーが1.1Δ未満の領域では、電子-電子散乱によるクーパーパairedエネルギー緩和の特徴的時間が、電子-フォノン散乱よりも短い。
• エネルギー推定値から、宇宙線、背景放射能、熱放射が、観測されたn_qpと整合するレベルでクーパーパaired注入に寄与しうると示唆された。
• 本研究は、非平衡クーパーパairedを効果的に抑制するためには、トラップをミリメートルスケールに再設計する必要があると結論づけた。