[論文レビュー] Spurious Antenna Modes of the Transmon Qubit

O. Rafferty, S. Patel+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 23被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、10–100 GHzでペア結合破壊放射の共鳴吸収を介して準粒子汚染を引き起こす主要因として、トランスモンキュービットにおける不正なアンテナモードを特定している。バビンの原理と電磁気的モデリングを用いて、一般的なキュービット形状が効率的な共鳴吸収体として機能することを示しており、放射損失が自由空間では約1.5 ms、高誘電率基板では約17 μsという、キュービットの$T_1$に根本的な制限をもたらす。

ABSTRACT

Superconducting qubits are resonant absorbers of pair-breaking radiation. The metal pads that form the qubit capacitance support standing wave modes at frequencies of order 100~GHz; these modes are strongly coupled to free-space impedance through their electric dipole moment. While the antenna mode of the 3D transmon qubit is easily seen to be a resonant dipole, other 2D qubit types can be understood as the aperture duals of wire loop antennas or folded dipoles. For typical Josephson junction parameters, the junction provides a reasonable conjugate match to the fundamental antenna mode. We calculate the contribution to quasiparticle poisoning from resonant absorption of blackbody radiation. We extend our analysis to dissipation at the qubit frequency, where radiative losses provide an ultimate limit to qubit energy relaxation time. A clear understanding of the spurious antenna modes of qubits will allow designs that are insensitive to pair-breaking radiation and that display reduced radiative losses at the qubit frequency.

研究の動機と目的

• 10–100 GHzでペア結合破壊放射の共鳴吸収を可能にする、トランスモンキュービット内の不正なアンテナモードを特定・特徴づけること。
• これらのモードが超伝導キュービットにおけるデコherenceの主要因である準粒子汚染にどのように寄与するかを理解すること。
• キュービット周波数における電磁放射に起因するエネルギー緩和時間（$T_1$）への放射損失の制限を定量化すること。
• 他のキュービットタイプへの分析を拡張し、量子センシングやダークマター検出への応用を検討すること。

提案手法

• 2次元平面キュービット形状をその双対的なワイヤアンテナ構造にマッピングするバビンの原理を適用し、放射モードの分析を可能にする。
• 数値的および解析的モデルを用いて、円形、長方形、Xmon、差動型、3次元トランスモン形状を含むキュービット構造の放射抵抗およびインピーダンスを計算する。
• 開口アンテナの式 $\mathrm{Re}[Z_w] \approx \frac{8}{3}\pi^5 \epsilon_{\mathrm{eff}}^{1/2} \eta \left(\frac{r_i}{\lambda}\right)^4 \left(1 + 2.1 \frac{w}{r_i}\right)$ を用いて有効放射抵抗を導出する。
• 特定のキュービット設計における結合効率とノイズ帯域幅を評価し、基板の誘電率が$T_1$に与える影響を検討する。
• キュービットを電気的に小さいアンテナとしてモデル化し、$T_1$への放射限界を計算する。この限界は$\epsilon_{\mathrm{eff}}^{-5/2}$に比例する。
• 黒体放射からの準粒子生成を拡張して分析し、トポロジカルキュービットやマイクロ波運動インダクタンス検出器への影響を議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トランスモンキュービット内の不正なアンテナモードは、キュービット動作帯域よりもはるかに高い周波数でペア結合破壊放射の共鳴吸収をどのように可能にするか？
• RQ2 これらのアンテナモードが超伝導キュービットにおける準粒子汚染に与える寄与度はいかほどか？
• RQ3 キュービット周波数における放射損失が引き起こすキュービット$T_1$の根本的限界は何か？
• RQ4 基板の有効誘電率が$T_1$の放射損失限界にどのように影響するか？
• RQ5 ペア結合光子へのアンテナ結合を、ダークマター検出や高精度分光法などの量子センシング応用に活用できるか？

主な発見

• トランスモンキュービットは、金属パッドが支える不正なアンテナモードにより、10–100 GHzでペア結合破壊放射を共鳴吸収する。
• 一般的なパrametersでは、ジョセフソン接合部が基本アンテナモードの放射インピーダンスに対して妥当なコンjugートマッチングを提供する。
• 自由空間（$\epsilon_{\mathrm{eff}} = 1$）ではキュービット$T_1$の放射限界は1.5 ms、高誘電率基板（$\epsilon_{\mathrm{eff}} = 6$）では17 μsである。
• 放射損失は$\epsilon_{\mathrm{eff}}^{-5/2}$に比例するため、基板の厚さと誘電率が$T_1$に強く影響することが示された。
• 差動型トランスモン設計は磁気四極モーメントの対称性により放射損失を抑制するが、対称性の破れにより主に磁気双極子損失が支配的になる。
• 3次元トランスモンは、キュービットをキャビティでコーティングしない限り、放射損失に対して極めて感受性が高く、状態の密度をプルフェル効果で抑制する。