[論文レビュー] Improved superconducting qubit coherence with high-temperature substrate annealing

Archana Kamal, Jonilyn Yoder+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、900–1100 °Cで高温基板アニーリングを施すことで、サファイア基板上での超伝導キュービットのコheren‐スが顕著に向上することを示している。アルミニウムの蒸着法（従来の蒸着法または分子線エpitaxial法）にかかわらず、リラクゼーション時間（T₁）が10倍以上に向上し、基板-金属および基板-空気界面における誘電損失が低減されたことが原因である。位相破壊ノイズレベルは、条件に関係なく同等のままである。

ABSTRACT

We assess independently the impact of high-temperature substrate annealing and metal deposition conditions on the coherence of transmon qubits in the standard 2D circuit-QED architecture. We restrict our study to devices made with aluminum interdigital capacitors on sapphire substrates. We record more than an order-of-magnitude improvement in the relaxation time of devices made with an annealed substrate, independent of whether a conventional evaporator or molecular beam epitaxy chamber was used to deposit the aluminum. We also infer similar levels of flux noise and photon shot noise through dephasing measurements on these devices. Our results indicate that substrate annealing plays a primary role in fabricating low-loss qubits, consistent with the hypothesis that substrate-air and substrate-metal interfaces are essential factors limiting the qubit lifetimes in superconducting circuits.

研究の動機と目的

• 基板アニーリングと金属蒸着条件の両方が超伝導キュービットのコheren‐スに与える影響を分離・定量すること。
• 基板準備と金属成長環境のどちらが、キュービットのリラクゼーション時間（T₁）の向上に主因であるかを特定すること。
• インターディジタルコンデンサ（IDC）の幾何形状が電場分布および誘電損失に与える影響を評価すること。
• アニーリング処理済みと非アニーリング処理済みのデバイス間で、フラックスノイズおよびフォトンショットノイズのレベルを評価し、コheren‐ス向上の原因がノイズ由来でないことを裏付けること。
• 基板アニーリングを、スケーラブルでプロセスに適合可能な高コheren‐ス超伝導キュービット実現法として確立すること。

提案手法

• 同じ従来の電子ビーム蒸着法を用いてアルミニウムを蒸着した条件下で、アニーリング処理済みと非アニーリング処理済みのサファイア基板上におけるトランスモンのT₁を比較するアニーリングテストを実施した。
• 同一にアニーリング処理された基板上に、10⁻⁷ Torrの従来蒸着法と10⁻¹¹ Torrの分子線エpitaxial法でアルミニウムを蒸着したデバイスのT₁を比較する蒸着テストを実施した。
• 異なるキュービット周波数間での比較を可能にするために、周波数に依存しない品質因数QとしてT₁をパラメータライズした。
• ラーマーおよびエコープロトコルを用いて、フラックスノイズおよびフォトンショットノイズの寄与を評価するため、T₂および位相デコherence時間（dephasing time）を測定した。
• エコー減衰からフラックスノイズ振幅Aを推定するため、(T₂g^E)⁻¹ = DΦ√(A log 2)の関係を用い、共振器フォトン数⟨n⟩を推定するため、(Tϕ^E)⁻¹ = 8⟨n⟩χ²/(κ + 4χ²/κ)の式を用いた。
• 誘電損失およびT₁に対する幾何的依存性を調査するため、IDCのフィンサイズ（10/10、10/20、25/25 μm）を系統的に変化させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高温基板アニーリングは、アルミニウム蒸着法にかかわらず、キュービットのT₁を独立に向上させるか？
• RQ2 観察されたT₁の向上は、基板-金属または基板-空気界面における誘電損失の低減によるものか？
• RQ3 アニーリング処理済みと非アニーリング処理済みの基板間で、フラックスノイズおよびフォトンショットノイズのレベルはどのように異なるか？
• RQ4 インターディジタルコンデンサの幾何形状が、電場参加度によってキュービットコheren‐スに与える影響はどの程度か？
• RQ5 超高真空蒸着を要せず、基板アニーリングのみで高コheren‐スを達成できるか？

主な発見

• アニーリング処理済みサファイア基板上に作製されたトランスモンは、蒸着法に関係なくQ > 10⁶を達成し、非アニーリング処理済み基板（Q ~ 10⁵）と比較して10倍以上の向上を示した。
• 非アニーリング基板上ではT₁が約0.25 μsであったのに対し、最適化されたIDC幾何形状（25/25 μm）を用いたアニーリング処理済み基板上ではT₁が最大35.3 μsに向上した。
• 両方のデバイス（アニーリング処理済みおよび非アニーリング処理済み）において、フラックスノイズ振幅Aは(1.5–3) μΦ₀²と推定され、差は顕著でなかった。
• 両方のデバイスの共振器フォトン数⟨n⟩は約0.007と推定され、バックグラウンドショットノイズレベルと整合的であった。
• T₂の位相デコherence時間は、フォトン数のフラクチュエーションによって一貫して説明され、アニーリング処理済みデバイスに追加の位相デコherence機構の痕跡は認められなかった。
• T₁の向上は、金属蒸着条件やノイズ源ではなく、基板界面における誘電損失の低減に起因するものとされた。