[論文レビュー] Localization and reduction of superconducting quantum coherent circuit losses

M. Virginia P. Altoé, Archan Banerjee+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Photonic and Optical Devices被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、後工程におけるエッチングを用いてニオブiumおよびケイ素の表面酸化物を選択的に改質することで、超伝導量子回路における支配的損失メカニズムを同定し、低減する。共面ケーブル構造のニオブium-ケイ素共振器を用いて、TLS損失を85%、非TLS損失を72%低減し、1光子品質因数500万以上という記録を達成した。ケイ素酸化物がTLSの主な供給源であると特定された一方、ニオブium酸化物は非TLS損失に寄与している。

ABSTRACT

Quantum sensing and computation can be realized with superconducting microwave circuits. Qubits are engineered quantum systems of capacitors and inductors with non-linear Josephson junctions. They operate in the single-excitation quantum regime, photons of $27 μ$eV at 6.5 GHz. Quantum coherence is fundamentally limited by materials defects, in particular atomic-scale parasitic two-level systems (TLS) in amorphous dielectrics at circuit interfaces.[1] The electric fields driving oscillating charges in quantum circuits resonantly couple to TLS, producing phase noise and dissipation. We use coplanar niobium-on-silicon superconducting resonators to probe decoherence in quantum circuits. By selectively modifying interface dielectrics, we show that most TLS losses come from the silicon surface oxide, and most non-TLS losses are distributed throughout the niobium surface oxide. Through post-fabrication interface modification we reduced TLS losses by 85% and non-TLS losses by 72%, obtaining record single-photon resonator quality factors above 5 million and approaching a regime where non-TLS losses are dominant. [1]Müller, C., Cole, J. H. & Lisenfeld, J. Towards understanding two-level-systems in amorphous solids: insights from quantum circuits. Rep. Prog. Phys. 82, 124501 (2019)

研究の動機と目的

• 超伝導量子回路におけるデ coherent 化の支配的要因を同定すること。
• 異なる界面材料からの二準位系（TLS）および非TLS損失の相対的寄与度を特定すること。
• 標的的な後工程における界面工学的手法を用いて、回路全体の損失を低減すること。
• 主要な損失チャネルの抑制により、1光子状態における記録的品質因数を達成すること。

提案手法

• バッファー酸化物エッチング（BOE）を用いた、ニオブium-ケイ素共面波ガイド（CPW）共振器の後工程エッチングにより、表面酸化物を選択的に改質する。
• エッチング後のニオブiumおよびケイ素酸化物の厚さと化学状態を定量するため、X線光電子分光法（XPS）を用いる。
• ナノスケールおよびアングストロームスケールの分解能を有する走査型透過電子顕微鏡（STEM）に、EDSおよびEELSを組み合わせ、界面における元素分布および化学状態をマッピングする。
• マイクロ波反射率測定により、温度および光子数の変動領域における共振器の品質因数（Q）と損失パラメータを測定する。
• 温度および入射電力依存の損失データに標準トンネル模型（STM）を適合させ、TLS-TLS相互作用を示すずれを含む。
• 異なるエッチング時間を持つ複数のチップを系統的に比較し、SiOxおよびNbOx層の影響を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導共振器における二準位系（TLS）損失の主な供給源として、ケイ素酸化物かニオブium酸化物か、どちらが支配的か？
• RQ2 ニオブiumおよびケイ素の表面酸化物からの非TLS損失の相対的寄与度はどの程度か？
• RQ3 後工程におけるエッチング処理が、共振器界面の化学的および形態的構造にどのように影響を与えるか？
• RQ4 選択的界面工学によって、TLSおよび非TLS損失をどの程度低減できるか？
• RQ5 界面改質が、1光子状態における共振器の品質因数に及ぼす影響は何か？

主な発見

• 1200 sのBOEエッチングにより、TLS損失が85%低減され、ケイ素表面酸化物がTLSの主な供給源であると特定された。
• 同じエッチング処理により、非TLS損失も72%低減され、ニオブium表面酸化物が非TLS散乱に大きな寄与をしていることが示された。
• 1光子品質因数が500万を超える記録を達成し、非TLS損失が支配的になる領域に近づいた。
• XPSおよびSTEM分析により、ニオブium酸化物の厚さはエッチング時間とともに単調に減少したが、ケイ素酸化物の厚さは環境露出の影響でチップ間でばらつきを示した。
• 一部の共振器では、標準トンネル模型からのずれが観察され、β ≈ 0.25であったことから、TLS-TLS相互作用に起因するTLSエネルギー拡散が示唆された。
• 繰り返し測定において、共振器間でQファクターに変動が見られたことから、環境的要因または局所的構造的不均一性への感受性が残存している可能性が示された。