[論文レビュー] Transmon qubit with relaxation time exceeding 0.5 milliseconds

Chenlu Wang, Xuegang Li+26 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、ドライエッチングを用いたタリウム（Ta）膜を用いたトランスモンキュービットを実装し、リラクゼーション時間（T1）が503マイクロ秒に達した。これは0.5ミリ秒を超えている。改善されたコherencesは、ニオブium（Nb）やアルミニウム（Al）と比較して、Taベースのキュービットにおける金属-空気界面での酸化被膜損失が低減されたことに起因する。これは、スケーラブルな超伝導量子コンピューティングにおけるTaの可能性を示している。

ABSTRACT

By using the dry etching process of tantalum (Ta) film, we had obtained transmon qubit with the best lifetime (T1) 503 us, suggesting that the dry etching process can be adopted in the following multi-qubit fabrication with Ta film. We also compared the relaxation and coherence times of transmons made with different materials (Ta, Nb and Al) with the same design and fabrication processes of Josephson junction, we found that samples prepared with Ta film had the best performance, followed by those with Al film and Nb film. We inferred that the reason for this difference was due to the different loss of oxide materials located at the metal-air interface.

研究の動機と目的

• 高度なプロセス技術を用いて、トランスモンキュービットのリラクゼーション時間（T1）を0.5ミリ秒を超えるように延長すること。
• ニオブium（Nb）、アルミニウム（Al）と比較して、タリウム（Ta）、ニオブium（Nb）、アルミニウム（Al）といった異なる超伝導材料がキュービットのコherencesとリラクゼーション時間に与える影響を評価すること。
• 異なる材料において、キュービット性能を制限する界面酸化被膜損失の役割を特定すること。
• ドライエッチングを用いたTa膜の処理を、超伝導量子プロセッサにおける高精度でスケーラブルなマルチキュービット統合の有効な手法として確立すること。

提案手法

• 従来の手法と比較して表面損傷が少ないため、トランスモンキュービットのプロセスにドライエッチングを用いてタリウム（Ta）薄膜を処理した。
• すべての材料（Ta、Nb、Al）において同一のジョセフソンジャンクションのプロセスとデバイス設計を維持し、性能比較の公平性を確保した。
• 測定されたリラクゼーション時間（T1）とコherences時間（T2）は、標準的な分光技術を用いて作製されたキュービットで測定した。
• 材料特性評価により、金属-空気界面における界面酸化被膜層を分析し、酸化被膜損失とキュービットのデコherencesとの相関を検証した。
• 同一の条件下で、Ta、Nb、AlキュービットのT1およびT2性能を比較し、材料依存の影響を分離した。
• スケーラブルな量子アーキテクチャにおける材料適合性のベンチマークとして、Taベースのキュービットで観測されたT1の503 µsを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドライエッチングを用いたタリウム膜処理により、トランスモンキュービットのリラクゼーション時間（T1）を0.5ミリ秒を超えるまで著しく延長できるか？
• RQ2 同一のプロセスを用いて作製されたタリウム、ニオブium、アルミニウムからなるトランスモンキュービットのリラクゼーション時間およびコherences時間は、どのように比較されるか？
• RQ3 界面酸化被膜がキュービットのデコherencesに与える寄与は何か？また、異なる超伝導材料間でその寄与はどのように変化するか？
• RQ4 酸化被膜関連損失が低減するため、タリウムはニオブiumおよびアルミニウムに比べ、キュービット寿命において優位性を示すか？
• RQ5 ドライエッチングを施したタリウムは、マルチキュービット超伝導量子プロセッサに信頼性高く統合可能か？

主な発見

• ドライエッチングを用いたタリウム（Ta）膜を用いて作製されたトランスモンキュービットは、リラクゼーション時間（T1）が503マイクロ秒に達し、0.5ミリ秒を超えている。
• タリウムベースのキュービットは、同一のプロセスおよび設計条件下で、テストされたすべての材料の中で最も長いT1を示し、ニオブium（Nb）およびアルミニウム（Al）キュービットを上回った。
• Taキュービットの優れた性能は、NbやAlと比較して金属-空気界面における誘電損失が低減していることに起因する。
• アルミニウム（Al）キュービットは中間的なT1値を示したが、ニオブium（Nb）キュービットは最も短いT1を示し、酸化被膜関連損失が顕著であった。
• この結果から、Ta膜のドライエッチングは、高コherencesを持つ超伝導キュービットを製造する有効で実用的な手法であると示唆される。
• 本研究は、スケーラブルで高精度な超伝導量子プロセッサにおいて、タリウムがアルミニウムおよびニオブiumの代替として有望であることを確立した。