[論文レビュー] Protecting superconducting qubits from external sources of loss and heat

Antonio Córcoles, Jerry M. Chow+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2011

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 17被引用数 62

ひとこと要約

本研究では、超伝導キュービットを吸収性エポキシ媒体に埋め込むことで、内部放射からの準粒子生成を抑制し、環境損失を著しく低減できることを示している。これにより、キュービットの緩和時間（T1）が10倍改善され（最大5.7 μs）、有効キュービット温度が顕著に低下した。その結果、冷却環境下での外部電磁放射がデコherenceの主要因であることが明らかになった。

ABSTRACT

We characterize a superconducting qubit before and after embedding it along with its package in an absorptive medium. We observe a drastic improvement in the effective qubit temperature and over a tenfold improvement in the relaxation time up to 5.7 $μ$s. Our results suggest the presence of external radiation inside the cryogenic apparatus can be a limiting factor for both qubit initialization and coherence. We infer from simple calculations that relaxation is not limited by thermal photons in the sample prior to embedding, but by dissipation arising from quasiparticle generation.

研究の動機と目的

• 低温環境下における超伝導キュービットの外因的デコherence要因を特定・低減すること。
• 外部電磁放射およびブラックボディ放射がキュービットの緩和および熱励起に顕著に寄与するかどうかを特定すること。
• 吸収性材料によるシールドによって外部環境的寄与を排除し、内在的損失メカニズムを分離すること。
• 高周波放射からの準粒子生成がキュービットのコherenecと緩和時間に与える影響を評価すること。
• 損失性で吸収性の材料にキュービットパッケージを埋め込むことで、実用的な方法でキュービットのコherenceを向上させることを示すこと。

提案手法

• 同一の容量結合フラックスキュービット（CSFQ）を、標準的な低温設定下でシールドなしに、および全PCBパッケージをエコソーブエポキシ（損失性吸収性材料）に埋め込んだ状態でそれぞれ特性評価した。
• 埋め込み前後でキュービットの緩和時間（T1）および分光測定を実施し、コherenceおよび熱励起状態の変化を比較した。
• スピンエコー実験を実施し、T2を測定することでコherenceの向上を確認した。
• フラックスノイズへの感受性を最小限に抑えるために、キュービットを「スイートスポット」（半整数フラックス量子）で動作させ、環境要因の影響を分離した。
• 埋め込み前の状態を再現する目的で、埋め込みサンプルに対して温度依存測定を実施し、準粒子寄与を評価した。
• 準粒子誘起緩和の理論的モデリングを用いて、観測されたT1の劣化および回復を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な低温設定下における超伝導キュービットの外因的デコherenceの主因は何であるか？
• RQ2 キュービットパッケージを吸収性媒体に埋め込むことで、その緩和時間および有効温度にどのような影響が生じるか？
• RQ3 高周波電磁放射およびブラックボディ放射が、準粒子生成およびキュービットのデコherenceにどの程度寄与しているか？
• RQ4 埋め込み後に観測されたT1の向上は、外部放射からの準粒子生成の低減に起因するものと特定できるか？
• RQ5 誘電および抵抗損失がキュービットの緩和に果たす役割は何か？また、それらは環境的寄与から分離可能か？

主な発見

• エコソーブエポキシにキュービットパッケージを埋め込むことで、緩和時間が513 nsから5.7 μsへ10倍向上した。
• 埋め込み後のキュービット分光測定では、励起状態に熱励起が認められず、有効温度が顕著に低下したことが示された。
• 有効バスタンパース温度は約1.3 Kに低下したと推定され、800 mKのシールド下でも依然として高い温度よりも顕著に低い値であった。これは、放射誘起準粒子が主な損失要因であることを示唆している。
• 175 mKで、埋め込みキュービットはT1 ≈ 700 nsを示し、複数の遷移を示す分光特性を示した。これは埋め込み前の挙動と一致しており、準粒子生成が主な損失メカニズムであることを確認した。
• 埋め込み前の観測されたT1の劣化は、5 GHzでの直接的ブラックボディ励起とは整合せず、必要な有効温度（1.3 K）が物理的バスタンパース温度を上回っていたことから、不一致であった。
• 結果から、アルミニウムの超伝導ギャップ（Δ ~ 200 μeV）を超える周波数（>80 GHz）の高周波放射からの準粒子生成が、超伝導キュービットにおけるデコherenceの主要因であると考えられる。