[論文レビュー] Integration of selectively grown topological insulator nanoribbons in superconducting quantum circuits

Tobias Schmitt, M. R. Connolly+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、選択的領域エpitaxyおよび局所ステンシルリソグラフィーを用いて、ミリメートルスケールの超伝導量子回路にナノスケールのトポロジカル絶縁体ナノリブを統合することを示している。この技術により、トポロジカル絶縁体をシャントとして用いたクーブィットと結合したオンチップマイクロ波キャビティが実現され、非線形クーブィット動作が観測され、超伝導マイクロ波応用への適合性が確認された。

ABSTRACT

We report on the precise integration of nm-scale topological insulator Josephson junctions into mm-scale superconducting quantum circuits via selective area epitaxy and local stencil lithography. By studying dielectric losses of superconducting microwave resonators fabricated on top of our selective area growth mask, we verify the compatibility of this in situ technique with microwave applications. We probe the microwave response of on-chip microwave cavities coupled to topological insulator-shunted superconducting qubit devices and observe a power dependence that indicates nonlinear qubit behaviour. Our method enables integration of complex networks of topological insulator nanostructures into superconducting circuits, paving the way for both novel voltage-controlled Josephson and topological qubits.

研究の動機と目的

• トポロジカル絶縁体ナノ構造を超伝導量子回路にスケーラブルに統合する手法を開発すること。
• ミリメートルスケールの量子デバイス内にナノスケールのトポロジカル絶縁体ジョセフソン接合を正確に配置できることを実現すること。
• 誘電損失測定を通じて、統合手法が超伝導マイクロ波応用と適合しているかを検証すること。
• トポロジカル絶縁体をシャントとして用いたクーブィットと結合したオンチップキャビティの非線形マイクロ波応答を調査すること。
• 超伝導量子アーキテクチャにおいて、トポロジカル絶縁体ベースのクーブィットの複雑なネットワークを実現する道筋を築くこと。

提案手法

• 選択的領域エpitaxyを用いて、事前に定義されたマスク上に原子レベルの精度でトポロジカル絶縁体ナノリブを成長させる。
• 局所ステンシルリソグラフィーを用いて、ナノリブを超伝導回路部品に対して正確に位置決めする。
• 成長マスク上に作製されたマイクロ波共振器に対して誘電損失測定を実施し、材料適合性を評価する。
• オンチップマイクロ波キャビティを、トポロジカル絶縁体をシャントとして用いた超伝導クーブィットと結合させ、マイクロ波応答を特徴付ける。
• 出力電力依存性のマイクロ波応答を測定し、クーブィット系における非線形性を調査する。
• 統合プロセスはイン・スイットであり、材料の完全性を保持し、量子回路への直接結合を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 選択的エpitaxyおよびスケーラブルなプロセスを用いて、ミリメートルスケールの超伝導量子回路にトポロジカル絶縁体ナノリブを正確に統合できるか？
• RQ2 統合プロセスで用いられる選択的領域成長マスクのマイクロ波適合性はいかほどか？
• RQ3 トポロジカル絶縁体をシャントとして用いたクーブィットと結合したオンチップキャビティのマイクロ波応答は、入力電力の変化にどのように応答するか？
• RQ4 この統合手法は、超伝導回路内にトポロジカル絶縁体ナノ構造の複雑なネットワークを形成できるか？
• RQ5 この手法を用いて電圧制御可能なジョセフソンおよびトポロジカルクーブィットを実現可能であるという証拠は何か？

主な発見

• 成長マスク上に作製された共振器における誘電損失測定から、選択的領域エpitaxy手法が超伝導マイクロ波応用と適合していることが確認された。
• トポロジカル絶縁体をシャントとして用いたクーブィットと結合したオンチップキャビティにおいて、出力電力依存性のマイクロ波応答が観測され、非線形クーブィット動作が示された。
• 統合手法により、超伝導回路内にナノスケールのトポロジカル絶縁体ジョセフソン接合を正確に配置できるようになった。
• イン・スイットプロセスにより材料の品質が保持され、量子デバイスへの直接結合が可能となった。
• 本手法により、スケーラブルな超伝導量子回路において電圧制御可能なジョセフソンおよびトポロジカルクーブィットを実現する道筋が開かれた。
• 本技術はスケーラブルであり、量子回路内にトポロジカル絶縁体ナノ構造の複雑なネットワークを構築するのに適している。