[論文レビュー] The Flux Qubit Revisited

Fei Yan, Simon Gustavsson+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 9被引用数 6

ひとこと要約

この論文は超伝導フラックスキュービット設計を再考し、広い周波数調整範囲、強い非調和性、22キュービットで$T_1 > 40\,\mu\text{sec}$を達成する平面型デバイスを実現した。読出し共鳴器における光子ショットノイズが$T_2$の主な制限要因であると特定し、それをダイナミカルデカップリングにより低減することで、$T_2 \approx 85\,\mu\text{sec}$を達成し、$2T_1$の限界に近づいた。これにより、高コherenceで再現性のあるキュービットへの重要な道筋を確立した。

ABSTRACT

The scalable application of quantum information science will stand on reproducible and controllable high-coherence quantum bits (qubits). Here, we revisit the design and fabrication of the superconducting flux qubit, achieving a planar device with broad frequency tunability, strong anharmonicity, high reproducibility, and relaxation times in excess of $40\,\mu$s at its flux-insensitive point. Qubit relaxation times $T_1$ across 22 qubits are consistently matched with a single model involving resonator loss, ohmic charge noise, and 1/f flux noise, a noise source previously considered primarily in the context of dephasing. We furthermore demonstrate that qubit dephasing at the flux-insensitive point is dominated by residual thermal photons in the readout resonator. The resulting photon shot noise is mitigated using a dynamical decoupling protocol, resulting in $T_2\approx 85\,\mu$s, approximately the $2T_1$ limit. In addition to realizing an improved flux qubit, our results uniquely identify photon shot noise as limiting $T_2$ in contemporary qubits based on transverse qubit-resonator interaction.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子情報処理に向けた、超伝導フラックスキュービットのコherenceと再現性の向上。
• 横方向キュービット-共鳴器アーキテクチャにおける$T_2$を制限する主なノイズ源の同定と低減。
• 統一されたノイズモデルを用いて22キュービットすべてで一貫した$T_1$性能を達成。
• 読出し共鳴器内の光子ショットノイズが、フラックスに依存しない点におけるデコherenceの主な原因であることを実証。

提案手法

• 広い周波数調整範囲と高い非調和性を有する平面フラックスキュービットの設計およびプロセス。
• 共鳴器損失、オーム的電荷ノイズ、1/fフラックスノイズを統合した単一のノイズモデルを用い、22キュービットすべての$T_1$を説明。
• 読出し共鳴器に残存する熱的光子が、$T_2$のデコherenceの主な原因であると特定。
• 光子ショットノイズを低減するためのダイナミカルデカップリングプロトコルの実装。
• フラックスに依存しない点での$T_1$および$T_2$の測定により、制御されたノイズ条件下でのコherenceを評価。
• 複数デバイスにわたるキュービットの緩和およびデコherenceの体系的特徴付けにより、再現性を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラックスに依存しない動作点における平面フラックスキュービットの$T_1$および$T_2$を制限する主なノイズ源は何か？
• RQ2 1つのノイズモデルが、独立して製造された22キュービットすべての$T_1$を一貫して説明できるか？
• RQ3 横方向キュービット-共鳴器系において、読出し共鳴器内の光子ショットノイズが$T_2$の主な制限要因であるか？
• RQ4 ダイナミカルデカップリングにより、光子ショットノイズをどの程度低減し、$T_2$を延長できるか？
• RQ5 再現性があり平面型のフラックスキュービットアーキテクチャにおいて、$T_2$を$2T_1$の限界に近づけることができるか？

主な発見

• 22キュービットすべてでキュービット緩和時間$T_1$が$40\,\mu\text{sec}$を超えることが確認され、統一されたノイズモデルにより一貫した性能が説明された。
• $T_1$は、共鳴器損失、オーム的電荷ノイズ、1/fフラックスノイズを含むモデルで良好に記述され、かつ後者は従来、デコherenceにのみ影響すると考えられていた。
• フラックスに依存しない点におけるデコherenceは、読出し共鳴器に残存する熱的光子に起因し、これが主な$T_2$制限要因であると特定された。
• 光子ショットノイズはダイナミカルデカップリングプロトコルにより低減され、$T_2 \approx 85\,\mu\text{sec}$が達成された。
• 達成された$T_2$値は$2T_1$の限界にほぼ一致しており、現在のノイズ条件下でほぼ最適なコherenceであることが示された。
• 本研究の結果は、横方向キュービット-共鳴器系において、光子ショットノイズが以前に軽視されていたが、実際には$T_2$の重要な制限要因であることを初めて明確に特定した。