[論文レビュー] Superconducting Gatemon Qubit based on a Proximitized Two-Dimensional Electron Gas

Lucas Casparis, M. R. Connolly+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2017

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、プロキシミタイズド2次元電子気体（2DEG）を用いたスケーラブルな超伝導ゲートモントンキュービットプラットフォームを示しており、局所ゲートを用いたすべての電気的制御を可能としている。著者らは、キュービットのコherency時間まで約2 μsに達するコherentな単一キュービット回転および2キュービットスワップ操作を達成した。これは2DEG基板における誘電体損失によって制限されており、スケーラブルでフラックスに感受しない量子プロセッサへの実現可能性を確立している。

ABSTRACT

The coherent tunnelling of Cooper pairs across Josephson junctions (JJs) generates a nonlinear inductance that is used extensively in quantum information processors based on superconducting circuits, from setting qubit transition frequencies and interqubit coupling strengths, to the gain of parametric amplifiers for quantum-limited readout. The inductance is either set by tailoring the metal-oxide dimensions of single JJs, or magnetically tuned by parallelizing multiple JJs in superconducting quantum interference devices (SQUIDs) with local current-biased flux lines. JJs based on superconductor-semiconductor hybrids represent a tantalizing all-electric alternative. The gatemon is a recently developed transmon variant which employs locally gated nanowire (NW) superconductor-semiconductor JJs for qubit control. Here, we go beyond proof-of-concept and demonstrate that semiconducting channels etched from a wafer-scale two-dimensional electron gas (2DEG) are a suitable platform for building a scalable gatemon-based quantum computer. We show 2DEG gatemons meet the requirements by performing voltage-controlled single qubit rotations and two-qubit swap operations. We measure qubit coherence times up to ~2 us, limited by dielectric loss in the 2DEG host substrate.

研究の動機と目的

• フラックスノイズやクロストークのない、スケーラブルですべての電気的制御が可能な超伝導キュービットプラットフォームの開発。
• 2DEGベースのジョセフソン接合における局所ゲートを用いたキュービットのコherent制御の実証。
• ウェーパースケール2DEGヘテロ構造において、高精度な単一および2キュービット操作の達成。
• キュービットのコherency時間の評価と、誘電体損失が主な制限要因であると特定。
• 磁気フラックス制御を不要とする周波数調整可能なキュービットの実現により、3次元統合における複雑さを低減。

提案手法

• プロキシミタイズド超伝導アルミニウム層を有するウェーパースケールAl/InGaAs/InP 2DEGヘテロ構造を用いて、ゲートモントンキュービットをフォーマット。
• 100 nmのAlセグメントの湿式エッチングによりジョセフソン接合を定義し、幅wが調整可能な2DEG JJを形成。
• 20 nmのAlOxゲート誘電体と上部のAlゲートを用いて、ジョセフソンエネルギーEJを容量的に調整。
• 読み出しと制御のため、共面波ガイドキャビティに容量結合されたT字型Al島を統合。
• IQ変調されたマイクロ波パルスと分散型変換検出を用いて、単一キュービット操作と状態読み出しを実施。
• ラビおよびラムゼー分光法を用いて、キュービットのコherencyとゲートの忠実度を特徴づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2DEGベースのゲートモントンキュービットは、すべての電気的制御によりコherentな単一キュービット回転を達成できるか？
• RQ2 2DEGゲートモントンキュービットのコherency時間は何か？ そして、何がその制限要因か？
• RQ3 2DEGゲートモントンプラットフォーム上で2キュービットスワップ操作をコherentに実装できるか？
• RQ4 2DEG JJにおけるジョセフソンエネルギーEJは、接合幅wとどのようにスケーリングするか？
• RQ5 2DEGゲートモントンプラットフォームは、スケーラブルでフラックスに感受しない量子計算を可能にするか？

主な発見

• キュービットのコherency時間は最大で約2 μsに達し、2DEG基板における誘電体損失によって制限されている。
• ガウス減衰正弦波フィットに一致するコherentラビオシレーションが観測され、高精度な単一キュービット制御が確認された。
• ラムゼー干渉縞は、高精度なゲート操作と整合する可視度を示し、Z軸回転のコherent性を裏付けた。
• 2キュービットスワップ操作がコherentに実装され、エンタングルゲート機能の確認ができた。
• ジョセフソンエネルギーEJは接合幅wに従って変化し、ゲート電圧によるqubit周波数の調整が可能となった。
• 2DEGゲートモントンプラットフォームは、1チップに独立してアドレス指定可能な6つのキュービットをサポートしており、スケーラビリティを実証した。