[論文レビュー] UCSB final report for the CSQ program: Review of decoherence and materials physics for superconducting qubits

John M. Martinis, A. Megrant|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 26

ひとこと要約

この論文は、5年間にわたりUCSBで実施された超伝導キュービットにおけるデコherenceに関する研究をレビューし、非晶質誘電体に存在する二準位状態および非平衡準粒子が主なデコherence要因であると特定している。誘電体損失を最小限に抑え、電荷に敏感でないトランスモンキュービット（Xmon設計）を設計することで、記録的なコherences時間と、劣化のないスケーラブルな9キュービット動作を達成した。これにより、材料物理学とデバイス設計の進歩が実用的量子計算の前進を可能にした。

ABSTRACT

We review progress at UCSB on understanding the physics of decoherence in superconducting qubits. Although many decoherence mechanisms were studied and fixed in the last 5 years, the most important ones are two-level state defects in amorphous dielectrics, non-equilibrium quasiparticles generated from stray infrared light, and radiation to slotline modes. With improved design, the performance of integrated circuit transmons using the Xmon design are now close to world record performance: these devices have the advantage of retaining coherence when scaled up to 9 qubits.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットにおける支配的デコherenceメカニズムを理解し、特に材料物理学に起因するものに対処すること。
• 誘電体および準粒子励起状態の損失源を特定・最小化することで、コherences時間を向上させること。
• Xmonのようなqubit設計を開発することで、マルチキュービットシステムに統合された場合でもコヒーレンスを維持できるスケーラブルな量子計算を可能にすること。
• 単一キュービットの性能指標を越えて、将来的なキュービットスケーリングに向けた材料指向の基盤を提供すること。
• 現実の材料およびデバイスアーキテクチャにおけるデコherenceの系統的分析を通じて、スケーラブルで故障耐性を持つ量子プロセッサの設計を導くこと。

提案手法

• 低温下でのさまざまな非晶質および結晶性材料の内在的誘電損失正 tangent（tan δ_i）を測定し、低損失基板および誘電体を特定した。
• 参加比解析を用いて、損失の大きい誘電体に貯蔵されるエネルギーの割合を減らすことで、誘電損失を最小化した。真空中または低損失材料を優先した。
• 3DトランスモンおよびXmon qubit設計を用いて、qubitを環境ノイズから隔離した。Xmonはスケーラブルな結合を最適化した。
• 赤外線フィルタリングおよび低温度動作を実装し、不要な赤外線放射による非平衡準粒子生成を抑制した。
• 3Dトランスモンがマルチキュービットシステムで劣化する理由を説明する「ニュートリノ化（neutrinoization）」の概念を適用した。これは、Xmonとは異なり、結合に起因するデコherenceが生じるためである。
• スケーラブルな量子計算に適した指標を重視し、単一およびマルチキュービットシステムにおけるゲート忠実度およびコherences時間（T₁、T₂）を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導キュービットにおける支配的デコherenceメカニズムは何か？ それらは材料物理学にどのように起因するか？
• RQ2 なぜ3DトランスモンはXmonに比べて単一キュービットで優れたコヒーレンスを示すが、マルチキュービットシステムでは劣化するのか？
• RQ3 不要な赤外線放射による非平衡準粒子は、キュービットのコヒーレンスにどのように影響するか？ また、それらは抑制可能か？
• RQ4 材料選択および幾何学的設計、特に参加比制御を通じて、誘電損失をどの程度まで低減できるか？
• RQ5 スケーラブルで高忠実度のマルチキュービット動作を実現するための設計原則は何か？

主な発見

• 熱酸化シリコン（SiO₂）の内在的誘電損失正 tangent（tan δ_i）は300–330 × 10⁻⁶であり、サファイア（sapphire）は顕著に低いtan δ_i 0.02 × 10⁻⁶を示す。
• テトラフルオロエチレン（Teflon）は極めて低い損失（1–2 × 10⁻⁶）を示すが、これはフッ素原子の重さが二準位状態のトンネルを抑制するためと推定される。ただし、接着性が悪いという点で実用的ではない。
• Xmonトランスモン設計は、劣化のない9キュービット動作を達成し、3Dトランスモンが性能劣化を示したのとは対照的にスケーラビリティを実証した。
• 冷却によって抑制された非平衡準粒子は、特に電荷に敏感なキュービットでは依然として顕著なデコherence要因である。これは、不要な赤外線放射に起因する。
• 電荷に敏感でないトランスモンでは、準粒子誘発デコherenceがトンネルイベントの約1–2％にしか影響しないため、適切なフィルタリングにより管理可能である。
• 3Dトランスモンは単一キュービットでのT₁が優れているが、マルチキュービットシステムにおける結合に起因するデコherenceが顕著である。これは、「ニュートリノ化」が隔離には有益であるが、スケーラビリティには障害となる可能性を示唆している。