[論文レビュー] Hexagonal Boron Nitride (hBN) as a Low-loss Dielectric for Superconducting Quantum Circuits and Qubits

Joel I-J. Wang, Megan Yamoah+20 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、六方状窒化ホウ素（hBN）が超伝導量子回路における低損失誘電体であることを示しており、低温・単光子状態の下でマイクロ波損失正 tangent が 10^{-6} 未満であることを達成している。hBN コンデンサをアルミニウムジャンクションと統合することで、25 μs に達するコherence 時間を実現し、従来の設計と比較して量子ビットのフィットネスを2桁小さくした。

ABSTRACT

Dielectrics with low loss at microwave frequencies are imperative for high-coherence solid-state quantum computing platforms. We study the dielectric loss of hexagonal boron nitride (hBN) thin films in the microwave regime by measuring the quality factor of parallel-plate capacitors (PPCs) made of NbSe$_{2}$-hBN-NbSe$_{2}$ heterostructures integrated into superconducting circuits. The extracted microwave loss tangent of hBN is bounded to be at most in the mid-10$^{-6}$ range in the low temperature, single-photon regime. We integrate hBN PPCs with aluminum Josephson junctions to realize transmon qubits with coherence times reaching 25 $μ$s, consistent with the hBN loss tangent inferred from resonator measurements. The hBN PPC reduces the qubit feature size by approximately two-orders of magnitude compared to conventional all-aluminum coplanar transmons. Our results establish hBN as a promising dielectric for building high-coherence quantum circuits with substantially reduced footprint and, with a high energy participation that helps to reduce unwanted qubit cross-talk.

研究の動機と目的

• 六方状窒化ホウ素（hBN）の超伝導量子回路におけるマイクロ波誘電損失を評価すること。
• 固体状態量子コンピューティングプラットフォームにおける量子ビットコherence を制限する誘電損失の課題に対処すること。
• hBN を誘電体として用いることで、スケーラブルでコンactな量子ビットアーキテクチャを開発すること。
• hBN が高コherence量子ビットを実現可能であり、高いエネルギー参加度のおかげでクロストークが低減されることを示すこと。

提案手法

• マイクロ波特性評価のための NbSe₂-hBN-NbSe₂ ハイブリッド構造平行板コンデンサ（PPC）の作製。
• 超伝導回路における PPC の Q 因子の測定により、hBN のマイクロ波損失正 tangent を抽出すること。
• hBN PPC をアルミニウムジャンクションと統合し、トランスモン量子ビットを実現すること。
• 低温・単光子状態の測定を用いて、最小限の散逸を確保し、正確な損失評価を実現すること。
• 共振器測定から得られた hBN の損失正 tangent をもとに理論的予測されたコherence 時間と、量子ビットのコherence 時間を比較すること。
• 高精度なマイクロ波分光法および低温測定技術を用いて、性能を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温・単光子状態の下で、六方状窒化ホウ素（hBN）のマイクロ波誘電損失正 tangent はどの程度か？
• RQ2 hBN は、量子ビットコherence を損なわせることなく、超伝導量子回路における実用的低損失誘電体として機能可能か？
• RQ3 従来の全アルミニウム共面型設計と比較して、hBN を用いることでトランスモン量子ビットの物理的フィットネスはどの程度小さくなるか？
• RQ4 hBN コンデンサの高いエネルギー参加度は、マルチ量子ビットアーキテクチャにおける量子ビットクロストークにどのように影響するか？
• RQ5 hBN を用いたトランスモン量子ビットのコherence 時間は、共振器測定から推定された損失正 tangent と整合しているか？

主な発見

• 低温・単光子状態の下で、hBN のマイクロ波損失正 tangent は 10^{-6} 未満に制限されており、極めて低い誘電損失を示している。
• hBN を用いたトランスモン量子ビットは、最大 25 μs のコherence 時間を達成しており、共振器で測定された損失正 tangent と整合している。
• hBN を用いることで、従来の全アルミニウム共面型トランスモンと比較して、量子ビットの特徴寸法が約2桁小さくなった。
• hBN コンデンサの高いエネルギー参加度のおかげで、マルチ量子ビット系における不要な量子ビットクロストークが抑制された。
• 超伝導回路への hBN の統合は、既存のプロセスと互換性があり、スケーラビリティを示している。
• 本結果により、hBN は高コherence・コンactな量子回路を実現する有望な誘電体であり、性能指標が向上することが確立された。