[論文レビュー] Quasiparticle trapping by orbital effect in a hybrid superconducting-semiconducting circuit

Willemijn Uilhoorn, James Kroll+7 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、高磁場（最大1 T）において、ゲートで調整可能なプロキシミティギャップと軌道効果を用いて準粒子（QP）トラップを設計することで、ハイブリッド超伝導体-半導体回路における準粒子の中毒化を緩和できることを示している。インジウムヒ素（InAs）ナノワイヤを用いたトランスモンキュービットでは、磁場下でも50 μsを超えるパリティ寿命を達成しており、ゲート非付加ナノワイヤ部における軌道効果によるギャップ抑制に起因する、280 mTの奇数倍での増幅が観察され、ジョセフソン接合部から離れた場所で頑健なQPトラップが実現されている。

ABSTRACT

The tunneling of quasiparticles (QPs) across Josephson junctions (JJs) detrimentally affects the coherence of superconducting and charge-parity qubits, and is shown to occur more frequently in magnetic fields. Here we demonstrate the parity lifetime to survive in excess of 50$\,\mathrmμ$s in magnetic fields up to 1$\,$T, utilising a semiconducting nanowire transmon to detect QP tunneling in real time. We exploit gate-tunable QP filters and find magnetic-field-enhanced parity lifetimes, consistent with increased QP trapping by the ungated nanowire due to orbital effects. Our findings highlight the importance of QP trap engineering for building magnetic-field compatible hybrid superconducting circuits.

研究の動機と目的

• トポロジカル量子計算に関連する高磁場下におけるハイブリッド超伝導体-半導体回路における準粒子中毒化（QPP）ダイナミクスを調査すること。
• 特に磁場下において、非平衡準粒子が超伝導キュービットおよび電荷パリティキュービットのコherenに悪影響を及える問題に対処すること。
• ジョセフソン接合部の感度の高い領域から準粒子を遠ざける、インサイトで制御可能なゲート駆動型QPフィルタを構築すること。
• ゲート非付加ナノワイヤ部における軌道効果が、プロキシミティ誘起ギャップをどのように抑制するかを調査し、QPトラップ効率の向上に寄与するメカニズムを解明すること。
• オフセット電荷感受型トランスモン構造を用いて、最大1 Tの磁場下で準粒子トンネルおよびパリティスイッチングのリアルタイム検出を実現すること。

提案手法

• ジョセフソン接合部にAl/InAsナノワイヤを用い、ゲートで調整可能な超伝導ギャップを有することで、接合部の両側に電気的に制御可能なQPフィルタを形成した。
• リアルタイムのパリティスイッチングイベントを検出するため、オフセット電荷感受型（OCS）トランスモンキュービットを用い、準粒子トンネルの直接的プローブとして利用した。
• ナノワイヤに平行な磁場（B∥）を印加することで、ゲート非付加セグメントにおけるプロキシミティギャップの抑制を誘発し、QPトラップを形成した。
• ゲート電圧（Vg）を変化させることで、準粒子のエネルギーポテンシャル障壁を制御し、Vg ≥ 0のときには接合部でのQPトラップ、Vg < 0のときには接合部から離れた場所でのQPフィルタリングを切り替えた。
• B∥およびVgの関数としての電荷パリティ寿命（T̄P）を測定し、軌道効果によるギャップ抑制に起因する磁場依存性の増幅を特定した。
• 垂直方向磁場（B⊥）を印加して、NbTiN接触部におけるヴォルテックスコア内でのQPトラップを調べ、B⊥ > 10 mTでT̄Pが顕著に増加することを観察した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高磁場（最大1 T）下におけるハイブリッド超伝導体-半導体回路における準粒子中毒化は、どのように進行するか？
• RQ2 磁場下にあっても、ゲートで調整可能なQPフィルタが、ジョセフソン接合部から準粒子を効果的に遠ざけることができるか？
• RQ3 ゲート非付加ナノワイヤ部における軌道効果が、プロキシミティ誘起ギャップをどの程度抑制し、QPトラップ効率を向上させるか？
• RQ4 磁場の向き（平行 vs. 垂直）が、準粒子ダイナミクスおよびパリティ寿命に果たす役割は何か？
• RQ5 半導体ベースのトランスモン構造を用いて、強い磁場下でパリティスイッチングのリアルタイム検出が可能か？

主な発見

• 最大1 Tの磁場下でも50 μsを超えるパリティ寿命が達成され、準粒子中毒化に対して頑健であることが示された。
• B∥の奇数倍の280 mTでパリティ寿命の向上が観察され、これはゲート非付加ナノワイヤ部における軌道効果によるギャップ抑制に起因するとされた。
• ピーク位置から抽出された有効ナノワイヤ径は69 nmであり、95 ± 5 nmの直径を有するInAsナノワイヤ上に13 nmの表面蓄積層が存在するのと整合的であった。
• Vg < 0のとき、ゲート付きリード部にQPフィルタが形成され、準粒子が接合部に到達するのをブロックし、T̄Pが向上した。一方、Vg ≥ 0のとき、接合部近傍でのギャップ抑制によりQPトンネルが増加し、T̄Pが低下した。
• 垂直方向磁場（B⊥ > 10 mT）の印加によりT̄Pが顕著に増加し、これはNbTiN接触部内のヴォルテックスコア内でのQPトラップに起因すると考えられ、共鳴器のバンド幅拡大によって裏付けられた。
• 静電的ゲーティングと磁場チューニングの組み合わせにより、リード部における最小準粒子励起エネルギーのインサイトで制御可能なリアルタイム制御が可能となり、トポロジカルおよび超伝導キュービットにおけるQP中毒化の抑制に有効な戦略が得られた。