[論文レビュー] Titanium Nitride Film on Sapphire Substrate with Low Dielectric Loss for Superconducting Qubits

Hao Deng, Zhijun Song+20 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 26

ひとこと要約

この論文は TiN をサファイア上に実装し、超低い基板金属誘電損失を実現して、T1 が約300 μs、Q が約8×10^6 に達するトランスモン量子ビットを実現し、SM および接合領域の損失正接を定量化して提供している。

ABSTRACT

Dielectric loss is one of the major decoherence sources of superconducting qubits. Contemporary high-coherence superconducting qubits are formed by material systems mostly consisting of superconducting films on substrate with low dielectric loss, where the loss mainly originates from the surfaces and interfaces. Among the multiple candidates for material systems, a combination of titanium nitride (TiN) film and sapphire substrate has good potential because of its chemical stability against oxidization, and high quality at interfaces. In this work, we report a TiN film deposited onto sapphire substrate achieving low dielectric loss at the material interface. Through the systematic characterizations of a series of transmon qubits fabricated with identical batches of TiN base layers, but different geometries of qubit shunting capacitors with various participation ratios of the material interface, we quantitatively extract the loss tangent value at the substrate-metal interface smaller than $8.9 imes 10^{-4}$ in 1-nm disordered layer. By optimizing the interface participation ratio of the transmon qubit, we reproducibly achieve qubit lifetimes of up to 300 $μ$s and quality factors approaching 8 million. We demonstrate that TiN film on sapphire substrate is an ideal material system for high-coherence superconducting qubits. Our analyses further suggest that the interface dielectric loss around the Josephson junction part of the circuit could be the dominant limitation of lifetimes for state-of-the-art transmon qubits.

研究の動機と目的

• 超導量子ビットの誘電損失を低減させ、コヒーレンス時間を長くする動機づけを行う。
• TiN on sapphire の基板-金属 (SM) 界面における誘電損失を定量的に特徴づける。
• SM および接合領域の intrinsic loss tangents を抽出し、主要なデコヒアレンス源を特定する。
• SM 界面の参加率を設計することによって再現性のある高コヒーレンスなトランスモンを実証する。

提案手法

• c面サファイア上に 100 nm の TiN と TEM から推定される 1 nm 程度の無秩序な SM 層を持つ TiN base 層を作製する。
• さまざまな幾何形状でシャント容量をパターン化し、P_SM を 2 オーダー以上の範囲にわたって展開し、損失正接を抽出する。
• 読み出しキャビティからの Purcell 効果を補正して、キュービットの T1 を特徴付け、Q を抽出する。
• Q をモデル化して Q^{-1}=P_SM tan(delta_SM)+P_J tan(delta_J) とデータにフィットさせ、tan(delta_SM) および tan(delta_J) を得る。
• SM（約 1 nm）および MA（約 5.5 nm）界面の無秩序層厚さを TEM で推定し、PR 計算に用いる誘電定数を推定する。
• 界面寄与を分離するために 2D 的な interdigital および dumbbell ジオメトリ、および 3D dumbbell キュービットを使用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TiN/サファイア SM 界面での誘電損失正接はどれくらいか？
• RQ2 SM 界面の参加率 P_SM は設計間でキュービットの Q と T1 にどのように影響するか？
• RQ3 ジョセフソン接合領域に関連する界面の損失正接（tan(delta_J)）と、それが寿命に与える寄与はどの程度か？
• RQ4 TiN/サファイア材料系は高コヒーレンスなキュービット向けの最良の低損失プラットフォームと競合できるか？
• RQ5 SM 損失を最小化した場合、最新の状態のトランスモンキュービットにおける支配的な残差損失機構は何か？

主な発見

• tan(delta_SM) は 1-nm の無秩序 SM 層で 8.9×10^-4 未満である。
• tan(delta_J) はジョセフソン接合領域で約 3.5×10^-3。
• SM の参加率を最適化することで、最大で 300 μs の寿命と Q が 8×10^6 に迫る再現可能な達成を得た。
• 単純な SM のみの損失モデルでは低い P_SM で Q を過小評価するため、Junction領域の損失に起因する P_SM 依存しない損失（Q0）を示唆。
• P_J と tan(delta_J) を含めた後、データは 2 損失チャネルモデルと整合し、定量化された損失正接を支持している。
• TEM は SM に約 1 nm の無秩序層、MA に約 5.5 nm をジョンション領域で確認し、PR 推定に情報を提供する。