[論文レビュー] Relaxation and Dephasing in a Flux-qubit

Patrice Bertet, I. Chiorescu+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2004

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、超伝導回路におけるフラックスキュービットが、2つのデcohérence抑制戦略を組み合わせることで長時間のコherー二ンスを達成できることを示している。すなわち、制御パラメータに対してキュービット周波数が感度が低い最適点（ε = 0）で動作させることと、SQUID検出器を特定の電流 I_b^* にバイアスすることでキュービットを電流ノイズから分離することである。この分離された最適点において、最大4 μsのスピンエコー減衰時間が測定され、従来の結果に比べ顕著なコherー二ンスの向上が達成された。

ABSTRACT

We report detailed measurements of the relaxation and dephasing time in a flux-qubit measured by a switching DC SQUID. We studied their dependence on the two important circuit bias parameters: the externally applied magnetic flux and the bias current through the SQUID in two samples. We demonstrate two complementary strategies to protect the qubit from these decoherence sources. One consists in biasing the qubit so that its resonance frequency is stationary with respect to the control parameters ({\it optimal point}) ; the second consists in {\it decoupling} the qubit from current noise by chosing a proper bias current through the SQUID. At the decoupled optimal point, we measured long spin-echo decay times of up to $4 μs$.

研究の動機と目的

• フラックスキュービットにおける主要なデcohérenceメカニズム（特に緩和と位相ずれ）を特定および定量化すること。
• キュービット周波数が制御パラメータに対して定常的である最適点戦略（ε = 0）が、以前にクオントニウム系で示されたように、フラックスキュービットにおける位相ずれを抑制できることを示すこと。
• 第二の戦略として、SQUID検出器のバイアス電流 I_b を特定の値 I_b^* に設定することで、キュービットを電流ノイズから分離する戦略を導入および検証すること。
• 両戦略（最適点と電流ノイズ分離）を組み合わせることで、顕著に向上したコherー二ンス時間となることを示すこと。
• SQUID検出器のプラズマモードにおける熱揺らぎが、純粋な位相ずれの主要因であるという定量的証拠を提供すること。

提案手法

• キュービットは、超伝導ループに3つのジョセフソンジャンクションを持つフラックスォニウム型デバイスであり、γ_Q ≈ π に調整することで二準位系を定義する。
• キュービットは、調整可能なバイアス電流 I_b を持つDC SQUID検出器に誘導結合されており、有効な磁束および電流ノイズ結合を制御できる。
• キュービットの共鳴周波数 f_Q は、ε = (I_p/e)(γ_Q - π)/(2π) に依存し、外部磁束 Φ_x および SQUID バイアス電流 I_b に敏感である。
• 最適点は ε = 0 として定義され、df_Q/dε = 0 であり、磁束ノイズへの感度が最小化される。
• 分離条件は、I_b = I_b^* とすることで達成され、dλ/dI_b = 0 であり、電流ノイズへの感度が最小化される。
• π/2パルス間の遅延を変化させたスピンエコーシーケンスを用い、T_echo を測定し、エコー振幅の減衰をフィッティングすることで T_echo および T_φ^echo を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラックスキュービットにおける緩和および位相ずれの主な要因は何か。また、それらはバイアスパラメータにどのように依存するか。
• RQ2 最適点戦略（ε = 0）が、クオントニウム回路と同様に、フラックスキュービットにおける位相ずれを効果的に抑制できるか。
• RQ3 SQUID バイアス電流 I_b を I_b^* に調整することで、キュービットを SQUID 検出器の電流ノイズから分離できるか。
• RQ4 SQUID プラズマモードにおける熱揺らぎがコherー二ンスを制限する役割を果たすか。
• RQ5 両方の戦略（最適点と電流ノイズ分離）を適用した場合、測定されたコherー二ンス時間はどのように変化するか。

主な発見

• 分離された最適点（ε = 0 かつ I_b = I_b^*）において、最大 3.9 ± 0.1 μs のスピンエコー減衰時間 T_echo が測定され、従来の結果に比べ顕著な改善が得られた。
• エネルギー緩和は、測定回路のインピーダンスへの自発的放射に起因し、サンプルBでは I_b^* から離れるほど T_1 が著しく短縮された。これは回路への結合を示唆している。
• 最適点における位相ずれは、I_b ≠ I_b^* の場合、電流ノイズに起因し、サンプルAでは T_2 が I_b に強く依存することが示された。
• サンプルBにおける純粋な位相ずれ時間 T_φ^echo は、SQUID プラズマモードの熱揺らぎによって制限されており、理論的シミュレーションは定性的に一致するが、コherー二ンス時間は約5倍の過大評価であった。
• サンプルBに第4のジャンクションを追加することで対称性が向上し、必要な I_b^* が低減され、電流ノイズ分離の有効性が向上した。
• 結果は、最適点戦略と電流ノイズ分離戦略の両方が有効であることを確認しており、併用することで当時で最も長い観測コherー二ンス時間が達成された。