[論文レビュー] Noise correlations in a flux qubit with tunable tunnel coupling

Simon Gustavsson, Jonas Bylander+4 more|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|Apr 27, 2011

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、2つの独立して制御可能なループを持つチューナブルな超伝導フラックスキュービットにおいて、フラックスノイズ相関を測定した。位相デコherence率をバイアスポイントごとに測定することで、ノイズ相関の符号と振幅を抽出した。その結果、2つのループにおけるフラックスゆらぎの間には強い反相関が見られ、ノイズが金属表面のランダムに配向した不対スピンから生じるというモデルを支持する結果が得られた。

ABSTRACT

We have measured flux-noise correlations in a tunable superconducting flux qubit. The device consists of two loops that independently control the qubit's energy splitting and tunnel coupling. Low frequency flux noise in the loops causes fluctuations of the qubit frequency and leads to dephasing. Since the noises in the two loops couple to different terms of the qubit Hamiltonian, a measurement of the dephasing rate at different bias points provides a way to extract both the amplitude and the sign of the noise correlations. We find that the flux fluctuations in the two loops are anti-correlated, consistent with a model where the flux noise is generated by randomly oriented unpaired spins on the metal surface.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットのコherencyを制限する低周波数フラックスノイズの起源を調査すること。
• キュービットの異なる部分におけるフラックスノイズが相関しているか、反相関しているかを特定すること。
• チューナブルなキュービットパラメータを用いて、ノイズ相関の符号と振幅を抽出すること。
• フラックスノイズが金属表面のランダムに配向した不対スピンから生じるという仮説を検証すること。
• 位相デコherence測定を用いて、超伝導キュービットにおけるノイズダイナミクスを調べる一般的な手法を提供すること。

提案手法

• キュービットは2つのループで構成され、1つはエネルギー準位差（ε）を制御し、もう1つはトンネル結合（Δ）を制御する。これにより、キュービットパラメータを独立して調整可能となる。
• ラムゼイ干渉計を用いてコherencyを測定することで、両ループのフラックスバイアス関数としての位相デコherence率を測定した。
• 物理的フラックスf1とf2をキュービットハミルトニアンパラメータに結びつけるために、有効フラックスf_zとf_xが定義された。
• スペクトル密度S_f(ω) ∝ 1/|ω|を含むモデルに測定されたデコherence率をフィッティングすることで、ノイズ相関係数が抽出された。
• ハミルトニアンにおける縦方向（ε）および横方向（Δ）項への2つのフラックスの異なる結合性により、相関の符号が特定された。
• 結果の解釈には表面スピンモデルが用いられ、共有ワイヤー部におけるスピンが反相関フラックスノイズを生成すると仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導キュービットの異なる部分におけるフラックスゆらぎは相関しているか、反相関しているか？
• RQ2 キュービットの位相デコherence測定を用いて、ノイズ相関の符号を実験的に特定できるか？
• RQ3 観測された反相関は、低周波数フラックスノイズの表面スピン起源を支持するか？
• RQ4 フラックスノイズの振幅と相関係数は、キュービットループの幾何学的形状にどのように依存するか？
• RQ5 この手法は、超伝導回路における表面スピン系のダイナミクスを調査するために一般化可能か？

主な発見

• 2つのループにおけるフラックスノイズは強く反相関しており、測定された相関係数はc12 = -0.55であった。
• 反相関は、ノイズがグローバル磁場由来である場合に予想される正の相関を排除する。
• 測定された相関係数の絶対値は、単純な幾何的スピンモデルの予測値c12 = -0.37よりも大きいことから、ノイズ機構にさらなる複雑性が存在することが示唆された。
• 2つのループのノイズスペクトルは、それぞれS_f1(ω) ∝ 1/|ω|（振幅A1 = (4.5 μΦ₀)²）およびS_f2(ω) ∝ 1/|ω|（振幅A2 = (3.1 μΦ₀)²）であった。
• 結果は、フラックスノイズが金属表面のランダムに配向した不対スピンから生じるというモデルと整合的であり、特に共有ワイヤー部で顕著である。
• この手法により、ノイズ相関の振幅と符号の両方を抽出可能であり、超伝導キュービットにおける微視的ノイズ源を調べる一般的なツールを提供する。