[論文レビュー] Millisecond coherence in a superconducting qubit

Aaron Somoroff, Quentin Ficheux+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 22

ひとこと要約

この論文は、$ T_2^* = 1.48 \pm 0.13 \, \text{ms} $ のラマーシー位相相干時間を持つフラックスオン超伝導キュービットを示しており、これは過去の超伝導キュービット記録を1桁以上上回っている。材料欠陥を最小限に抑え、準粒子に起因する緩和を抑制することで、著者らは単一キュービットゲートの優れた忠実度（0.9999以上）を達成し、固体量子系における位相相干性と制御の新しい基準を確立した。

ABSTRACT

Increasing the degree of control over physical qubits is a crucial component of quantum computing research. We report a superconducting qubit of fluxonium type with the Ramsey coherence time reaching $T_2^*= 1.48 \pm 0.13 \mathrm{~ms}$, which exceeds the state of the art value by an order of magnitude. As a result, the average single-qubit gate fidelity grew above $0.9999$, surpassing, to our knowledge, any other solid-state quantum system. Furthermore, by measuring energy relaxation of the parity-forbidden transition to second excited state, we exclude the effect of out-of-equilibrium quasiparticles on coherence in our circuit. Combined with recent demonstrations of two-qubit gates on fluxoniums, our result paves the way for the next generation of quantum processors.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットにおけるミリ秒スケールの位相相干性の閾値を打ち破ること。この閾値は約10年間、約100 µsのまま停滞していた。
• 超伝導キュービットの位相相干性を制限する主要なデ coherent メカニズムを特定し、抑制すること。特に準粒子トンネル効果と誘電体損失を対象とする。
• フラックスオンキュービットの電荷およびリークエラーに対する内在的保護特性を活用することで、高忠実度の量子制御が可能であることを実証すること。
• 材料の品質向上と熱化処理を組み合わせることで、ミリ秒スケールの位相相干性が固体系で達成可能であることを確立すること。

提案手法

• 大きな非調和性と低い電荷行列要素を実現するため、弱いジョセフソン接合と強力な接合のスーパーレンジングアレイを用いたフラックスオンキュービット設計を採用した。
• 分散的読み出しと無線駆動を可能にするために、$ Q = 377 $ および $ f = 7.54 \, \text{GHz} $ の3次元銅キャビティを用いた。
• 回路パラメータの決定と、半分の磁束量子における $ 1/f $ 磁束ノイズへの感受性のなさの確認のため、分光測定および磁束依存測定を実施した。
• 磁束の関数として $ T_1^{01} $ と $ T_1^{02} $ を測定し、準粒子トンネル効果と誘電体損失のどちらが主な緩和メカニズムであるかを区別した。
• 誘電体損失モデル $ 1/T_1^{20} = 32\pi (E_C/h) |\langle 0|\hat{n}|2\rangle|^2 \tan\delta_C $ を適用し、損失正 tangent $ \tan\delta_C \approx (1.5 - 4.5) \times 10^{-6} $ を推定した。
• 半分の磁束バイアスにおける $ T_1^{01} $ のピークが観測されなかったことから、準粒子トンネル効果を除外し、準粒子密度の上限を $ x_{\text{qp}} < 6 \times 10^{-10} $ と推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導キュービットは、1 msを超えるラマーシー位相相干時間を達成可能か。これは長年の壁を打ち破るものか？
• RQ2 フラックスオンキュービットにおける主要なデ coherent メカニズムは何か。準粒子トンネル効果が主な緩和源であると除外できるか？
• RQ3 非平衡状態の準粒子が超伝導キュービットの位相相干性に与える影響は何か。実験的にその密度を制約できるか？
• RQ4 光子補助トンネル（PAT）または熱励起プロセスが、観測された $ T_1^{02} $ の飽和（約1.5 ms）を説明できるか？
• RQ5 材料欠陥とラインの熱化は、どの程度位相相干性を制限するか。それらは、ミリ秒スケールの位相相干性を実現するために軽減可能か？

主な発見

• ラマーシー位相相干時間 $ T_2^* $ は $ 1.48 \pm 0.13 \, \text{ms} $ に達し、過去の最先端水準を1桁以上上回った。
• 平均的な単一キュービットゲート忠実度は0.9999を超えた。これは、いかなる固体量子系に対しても、これまでに報告された最高の忠実度である。
• 半分の磁束量子における $ T_1^{01} $ のピークが観測されなかったため、準粒子トンネル効果は主な緩和メカニズムでないことが除外された。
• 半分の磁束バイアスにおける $ T_1^{01} > 1 \, \text{ms} $ の測定結果から、準粒子密度の上限が $ x_{\text{qp}} < 6 \times 10^{-10} $ と制約され、これは回路全体に1個以下の残留準粒子に相当する。
• $ T_1^{02} $ は半分の磁束バイアス付近で約1.5 msに飽和しており、これはパリティを破る崩壊過程（光子補助トンネルまたは熱励起による可能性）と整合的である。
• $ T_1^{02} $ の飽和と $ T_1^{01} $ の二重指数関数的減衰の欠如は、誘電体損失が主な緩和チャネルであることを支持しており、$ \tan\delta_C \approx (1.5 - 4.5) \times 10^{-6} $ であると推定された。