[論文レビュー] Stability of superconducting resonators: motional narrowing and the role of Landau-Zener driving of two-level defects

David Niepce, Jonathan Burnett+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2020

Superconducting and THz Device Technology参考文献 76被引用数 23

ひとこと要約

本研究は、超伝導共振器における周波数不安定性の原因としての二準位系（TLS）欠陥を調査し、共振器のマイクロ波場による共鳴的駆動によって生じる運動的狭小化が、高出力条件下で周波数ジッターを低減することを示した。支配的TLSフラクチュエータのスイッチングレートは、準古典的ランドウ＝ツェーナー遷移と整合するべきべき乗則依存性を示し、異なる幾何形状および材料を有するNbNナノワイヤ、Al共面型、Al 3Dキャビティ共振器においても普遍的な動的挙動を示した。

ABSTRACT

Frequency instability of superconducting resonators and qubits leads to dephasing and time-varying energy-loss and hinders quantum-processor tune-up. Its main source is dielectric noise originating in surface oxides. Thorough noise studies are needed in order to develop a comprehensive understanding and mitigation strategy of these fluctuations. Here we use a frequency-locked loop to track the resonant-frequency jitter of three different resonator types---one niobium-nitride superinductor, one aluminium coplanar waveguide, and one aluminium cavity---and we observe strikingly similar random-telegraph-signal fluctuations. At low microwave drive power, the resonators exhibit multiple, unstable frequency positions, which for increasing power coalesce into one frequency due to motional narrowing caused by sympathetic driving of individual two-level-system defects by the resonator. In all three devices we probe a dominant fluctuator, finding that its amplitude saturates with increasing drive power, but its characteristic switching rate follows the power-law dependence of quasiclassical Landau-Zener transitions.

研究の動機と目的

• 量子プロセッサのキャリブレーションにおける主要な障害である、超伝導共振器における周波数不安定性の起源を理解すること。
• 異なる共振器タイプにおいて、二準位系（TLS）からの誘電体ノイズが周波数ジッターを支配しているかどうかを特定すること。
• マイクロ波駆動が運動的狭小化を通じてTLSに起因するフラクチュエーションを抑制する役割を調査すること。
• TLSスイッチングレートの出力依存性を定量的に評価し、異なる超伝導デバイスにおいてランドウ＝ツェーナー理論と整合するかを検証すること。

提案手法

• 100 Hzのサンプリングレートで2.75時間にわたり、周波数ロックドループを用いて共鳴周波数ジッターを測定した。
• 時間的フラクチュエーションを解析し、スイッチングダイナミクスを抽出するために、ウェルチ法によるパワー スペクトル密度と重複型アラン偏差を用いた。
• 駆動パワー（⟨n⟩ は約3×10⁻²から約715光子まで）を変化させた際の周波数ジッターのヒストグラムをマッピングし、運動的狭小化を観察した。
• RTSノイズ特徴を共通のモデルでフィッティングし、スイッチングレートを抽出し、べき乗則スケーリングを比較した。
• 準古典的ランドウ＝ツェーナー理論を用いて、TLSスイッチングレートのべき乗則依存性を解釈した。
• 3種類の異なる共振器タイプを比較した：NbNナノワイヤ（Tc=7.2 K）、Al共面波ガイド（Tc=1.05 K）、Al 3Dキャビティ（Tc=1.18 K）、いずれも10 mKで測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる超伝導共振器において、共振器駆動に起因する運動的狭小化が、個々のTLS欠陥に起因する周波数ジッターを抑制するか？
• RQ2 異なる共振器タイプにおける支配的TLSフラクチュエータのスイッチングレートが、マイクロ波駆動下で準古典的ランドウ＝ツェーナー遷移と整合するか？
• RQ3 異なる共振器幾何形状および材料において、TLSに起因する周波数ジッターの振幅とスイッチングレートは、マイクロ波駆動パワーにどのように依存するか？
• RQ4 表面酸化被膜に起因する誘電体ノイズが、超伝導共振器における周波数不安定性を支配的にとっている程度はどの程度か？
• RQ5 著しく異なる運動インダクタンス、電場分布、Qファクターを有する共振器において、TLSスイッチングレートの普遍的なべき乗則依存性が観察されるか？

主な発見

• 低マイクロ波駆動出力では、個々のTLS欠陥に起因するランダムテレグラフ信号（RTS）フラクチュエーションにより、複数の離散的周波数位置が観察された。
• 駆動出力が増加するにつれて、周波数ジッターが減少し、複数の周波数状態が運動的狭小化により1つのピークに統合された。
• 周波数フラクチュエーションの振幅は出力が増加するにつれて飽和し、支配的TLSからの最大寄与が示された。
• 支配的TLSのスイッチングレートは、準古典的ランドウ＝ツェーナー遷移と整合するべき乗則依存性を示し、3つの共振器タイプすべてでスケーリング指数が約0.5–0.8の範囲にあった。
• 幾何形状、材料、内部Qファクター（Qi）の違いにもかかわらず、NbNナノワイヤ、Al共面型、Al 3Dキャビティ共振器の間で、TLSスイッチングレートのべき乗則スケーリングが顕著に一貫していた。
• アラン偏差およびパワー スペクトル密度解析により、デバイス間で共通のノイズ特徴が確認され、駆動出力が増加するにつれて、支配的RTS特徴がより高い周波数（短い時間スケール）にシフトした。