[論文レビュー] Origin and Suppression of $1/f$ Magnetic Flux Noise

Pradeep Kumar, S. Sendelbach+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用数 40

ひとこと要約

本研究では、超伝導キュービットにおける$1/f$磁束ノイズの主な原因が吸着した分子状O₂であると特定した。真空中の条件を改善し、表面の被覆処理を施すことで、静的スピン感受率を10倍以上低減し、$1/f$磁束ノイズのパワー スペクトル密度を最大5.1倍まで低減した。これにより、キュービットのコherences時間の延長が可能になった。

ABSTRACT

Magnetic flux noise is a dominant source of dephasing and energy relaxation in superconducting qubits. The noise power spectral density varies with frequency as $1/f^α$ with $α\sim 1$ and spans 13 orders of magnitude. Recent work indicates that the noise is from unpaired magnetic defects on the surfaces of the superconducting devices. Here, we demonstrate that adsorbed molecular O$_2$ is the dominant contributor to magnetism in superconducting thin films. We show that this magnetism can be suppressed by appropriate surface treatment or improvement in the sample vacuum environment. We observe a suppression of static spin susceptibility by more than an order of magnitude and a suppression of $1/f$ magnetic flux noise power spectral density by more than a factor of 5. These advances open the door to realization of superconducting qubits with improved quantum coherence.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットにおける$1/f$磁束ノイズの微視的起源を特定すること。これは、量子コherenceの主要な障壁である。
• デバイス表面に吸着した分子状O₂が、表面磁性および磁束ノイズの主な要因であるかどうかを特定すること。
• 磁性欠陥を低減し、ノイズを抑制する表面処理および真空条件の改善を考案・実験的に検証すること。
• 実験的デバイスにおいて、スピン感受率および$1/f$ノイズのパワー スペクトル密度の顕著な低減を実証すること。

提案手法

• アドバンスドフォトンソースでX線磁気円二色性（XMCD）およびX線吸収スペクトロスコピー（XAS）を実施し、AlおよびNbの薄膜における元素状態および磁性状態を調べた。
• 密度汎関数理論（DFT）およびモンテカルロシミュレーションを用いて、Al₂O₃上へのO₂吸着をモデル化し、スピンダイナミクスおよびノイズ挙動を予測した。
• 表面処理前後および真空条件改善後のNb SQUIDにおける表面スピン感受率を評価した。
• Si₃N₄およびSiO₂でカプセル化されたAlベースのキュービットにおける$1/f$磁束ノイズのパワー スペクトル密度を、処理前後で測定した。
• 真空中でUV照射を施し、吸着体に起因する磁性を低減する表面被覆処理を実施した。
• 複数のデバイス間でのノイズレベルを比較し、熱サイクルに伴う安定性を追跡することで、再現性および耐久性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 吸着した分子状O₂は、超伝導キュービットにおける$1/f$磁束ノイズを引き起こす未対スピン磁性欠陥の主な原因であるか？
• RQ2 表面被覆処理および改善された真空条件により、表面スピン感受率および$1/f$ノイズのパワー スペクトル密度を顕著に低減できるか？
• RQ3 ノイズ低減度は、静的スピン感受率および表面磁性欠陥密度の変化とどのように相関するか？
• RQ4 同じ処理プロトコルを適用しても、Nb SQUIDではノイズ低減がAlベースのデバイスよりも顕著であるのはなぜか？
• RQ5 表面の不規則性および分子間スピンスピン相互作用は、$1/f$ノイズの生成に果たす役割は何か？

主な発見

• XMCDおよびXAS測定により、大気中での露出後に酸素K端で明確な磁性信号が観測されたことから、吸着した分子状O₂が超伝導薄膜における表面磁性の主な要因であると特定された。
• 表面被覆処理および改善された真空条件により、Nb SQUIDにおける静的スピン感受率が10倍以上低減した。
• Si₃N₄でカプセル化されたAlデバイスでは、$1/f$磁束ノイズのパワー スペクトル密度が平均で2.8倍、最良ケースでは5.1倍まで低減され、デバイスのアスペクト比で補正した場合、報告された最低値に達した。
• ノイズレベルは熱サイクルにわたって安定しており、ノイズが一時的または熱的に駆動されるプロセスではなく、固定された表面欠陥に起因していることが示された。
• SiO₂でカプセル化されたデバイスでは、真空中でのUV照射によりノイズが低減しなかった。これは結合の切断および追加の酸素放出が原因と考えられ、酸化被膜の完全性が極めて重要であることを示唆している。
• Nb SQUIDではスピン感受率の低減が顕著である一方で、Alデバイスではノイズ低減が小さいことから、表面の不規則性および分子間相互作用がノイズダイナミクスに顕著に寄与していることが示唆された。