[論文レビュー] Systematic Improvements in Transmon Qubit Coherence Enabled by Niobium Surface Encapsulation

Mustafa Bal, Akshay A. Murthy+38 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2023

Quantum and electron transport phenomena参考文献 36被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、超伝導トランモンキュービットにおける損失を引き起こすニオブ酸化物の生成を防ぐために、タングステン、アルミニウム、窒化チタン、金のキャピング層を用いたニオブium表面キャップ技術を提示する。ニオブium表面を被覆することで、ベースラインデバイスと比較してT₁緩和時間が2〜5倍に延び、中央値で300 μsを超える寿命を達成し、最大で600 μsに達する。これは、サファイアおよびシリコン基板上に作製された超伝導キュービットにおいて、報告された最高水準のものである。

ABSTRACT

We present a novel transmon qubit fabrication technique that yields systematic improvements in T$_1$ relaxation times. We fabricate devices using an encapsulation strategy that involves passivating the surface of niobium and thereby preventing the formation of its lossy surface oxide. By maintaining the same superconducting metal and only varying the surface structure, this comparative investigation examining different capping materials, such as tantalum, aluminum, titanium nitride, and gold, and film substrates across different qubit foundries definitively demonstrates the detrimental impact that niobium oxides have on the coherence times of superconducting qubits, compared to native oxides of tantalum, aluminum or titanium nitride. Our surface-encapsulated niobium qubit devices exhibit T$_1$ relaxation times 2 to 5 times longer than baseline niobium qubit devices with native niobium oxides. When capping niobium with tantalum, we obtain median qubit lifetimes above 300 microseconds, with maximum values up to 600 microseconds, that represent the highest lifetimes to date for superconducting qubits prepared on both sapphire and silicon. Our comparative structural and chemical analysis suggests why amorphous niobium oxides may induce higher losses compared to other amorphous oxides. These results are in line with high-accuracy measurements of the niobium oxide loss tangent obtained with ultra-high Q superconducting radiofrequency (SRF) cavities. This new surface encapsulation strategy enables even further reduction of dielectric losses via passivation with ambient-stable materials, while preserving fabrication and scalable manufacturability thanks to the compatibility with silicon processes.

研究の動機と目的

• 損失を引き起こすニオブium表面酸化物によって引き起こされる超伝導トランモンキュービットにおける短いキュービットコherenecy時間という、長年の制限要因に対処すること。
• 同一のニオブiumベース材料を用いながら、タングステン（Ta）、アルミニウム（Al）、窒化チタン（TiN）、金（Au）といった異なるキャピング材料がキュービットT₁緩和時間に与える影響を体系的に評価すること。
• ニオブium表面の酸化を防ぎ、誘電損失を低減するためのスケーラブルでシリコンプロセスと互換性のあるプロセスを確立すること。
• ニオブium酸化物が他の酸化物と比較して、より高い2準位状態（TLS）密度とエネルギー損失を引き起こすという、明確な実験的証拠を提供すること。
• 大気中での酸化を防ぐために、空気露出前に安定したキャピング層を用いることで、誘電損失をさらに低減し、将来の量子コンピューティングおよび超伝導デバイスの進展を支援すること。

提案手法

• 原子層エピタクシー法または蒸着法を用いて、タングステン（Ta）、アルミニウム（Al）、窒化チタン（TiN）、金（Au）のキャピング層でニオブium表面をキャップしたトランモンキュービットを製造。
• 超高Qの超伝導RF（SRF）キャビティを用いて、ニオブium酸化物の損失正 tangent を高精度に測定し、その内在的な損失性を検証。
• 深さに敏感なX線光電子分光法（XPS）および電子エネルギー損失分光法（EELS）を用いて、金属／酸化物界面における酸化状態および酸素化学计量を分析。
• 透過型電子顕微鏡（TEM）および動的散乱理論を用いたX線反射率測定により、酸化被膜の厚さと構造を特定。その結果、キャップなしのニオブiumではNb₂O₅が4.1 nm、NbOが0.5 nmであるのに対し、Taキャップ付きではストイキオメトリックなTa₂O₅が5.9 nm形成されていることが判明。
• サファイアおよびシリコン基板を用いた複数のキュービットファブリケーション施設でのT₁緩和時間の比較測定を実施し、再現性およびスケーラビリティを確認。
• 構造的および化学的データとキュービット性能を照合し、ニオブium酸化物における酸素含有量の変動およびパラ磁性モーメントがフラックスノイズおよびエネルギー損失の原因であることを特定。

Figure 1: (a) 8 qubit chip layout consisting of 3 different geometries. (b) Low magnification annular dark field scanning transmission electron microscopy (ADF-STEM) image taken from a cross-section of a Nb transmon qubit where the Nb film is capped with a Ta metal layer. (c) Cryogenic wiring diagra

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一のニオブium基板を用いる場合、タングステン（Ta）、アルミニウム（Al）、窒化チタン（TiN）、金（Au）といった異なるキャピング材料が、ニオブiumベースのトランモンキュービットのT₁緩和時間にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ニオブiumキュービットの表面に形成されるアモルファスニオブium酸化物は、タングステンやアルミニウムなどの他の金属の自然酸化物と比較して、どれほどキュービットコherenecyを劣化させるか？
• RQ3 製造工程中におけるニオブiumの大気酸化を防ぐ表面キャップ戦略は、工業的スケールのシリコンプロセスと互換性を保ちつつ、キュービットコherenecy時間を顕著に向上させることができるか？
• RQ4 他のアモルファス酸化物（例：Ta₂O₅ や Al₂O₃）と比較して、なぜニオブium酸化物はより高い誘電損失を示すのか、その構造的および化学的起源は何か？
• RQ5 ストイキオメトリックなTa₂O₅キャピング層は、非ストイキオメトリックで酸化状態が可変なニオブium酸化物と比較して、2準位状態（TLS）密度やパラ磁性モーメントを低減するか？

主な発見

• タングステンでキャップされたニオブiumキュービットは、中央値で300 μsを超えるT₁緩和時間を示し、最大で600 μsに達する。これは、サファイアおよびシリコン基板上に作製された超伝導キュービットにおいて、報告された最高の寿命である。
• Taキャップ付きニオブiumキュービットのT₁時間は、自然酸化被膜を持つベースラインのニオブiumキュービットと比較して2〜5倍に延びており、複数のファブリケーション施設で一貫した改善が確認された。
• XPSおよびEELS分析により、Taキャップ表面にはストイキオメトリックな5.9 nmのTa₂O₅層が存在することが確認された一方、自然酸化被膜には4.1 nmのNb₂O₅と0.5 nmの非ストイキオメトリックなNbOが存在しており、酸素非ストイキオメトリーと損失増加の直接的な関連性が示された。
• 本研究は、ニオブium酸化物がTa₂O₅、Al₂O₃、TiNなどの他の酸化物と比較して、酸素含有量の変動およびパラ磁性モーメントにより、より高い2準位状態（TLS）密度と誘電損失を示すという、明確な実験的証拠を提供した。
• このキャップ技術は、標準的なシリコンベースのプロセスと互換性があり、高コherenecy超伝導キュービットのスケーラブルで産業的プロダクションを可能にする。
• 超高QのSRFキャビティ測定により、ニオブium酸化物の高い損失正 tangent が確認され、ニオブium表面酸化被膜の内在的な損失性が裏付けられ、キャップ処理によるコherenecy向上が妥当であることが裏付けられた。

Figure 2: Structural and chemical characterization of transmon qubit. (a-d) Chemical phase maps generated through STEM energy dispersive spectroscopy of the Nb films capped with Ta, Al, TiN, and Au, respectively. The Ta, Al, and Au capping layers are roughly 10 nm thick and the TiN layer is roughly