[논문 리뷰] Cosmic muon flux attenuation methods for superconducting qubit experiments

E. Bertoldo, M. Martínez외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 08.

Particle Detector Development and Performance인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트 실험에서 간우성 양성자 조건을 줄이기 위한 두 가지 실용적인 방법을 제안한다: 천정을 향한 칩 방향 조절로 1.6배 감소, 그리고 얕은 지하 시설(예: 100m 깊이)을 활용해 최대 35배 감쇠. 저자들은 자체 제작한 양성자 검출기를 통해 두 방법을 검증하여, 큐비트 안정성에 핵심적인 영향을 미치는 양성자 유도 노이즈를 환경 차폐 및 장치 배치를 통해 크게 줄일 수 있음을 입증하였다.

ABSTRACT

We propose and demonstrate two practical mitigation methods to attenuate the cosmic muon flux, compatible with experiments involving superconducting qubits: shallow underground sites and specific device orientation. Using a specifically-built cosmic muon detector, we identify underground sites, widely present in urban environments, where significant attenuation of cosmic muon flux, up to a factor 35 for 100-meter depths, can be attained. Furthermore, we employ two germanium wafers in an above-ground laboratory, each equipped with a particle sensor, to show how the orientation of the chip with respect to the sky affects the amount and type of energy deposited on the substrate by ionizing radiation. We observe that the horizontal detector sees more counts at lower energy, while the vertical one is impacted by more particles at higher energy. The methods here described proposed ways to directly understand and reduce the effects of cosmic rays on qubits by attenuating the source of this type of decoherence, complementing existing on-chip mitigation strategies. We expect that both on-chip and off-chip methods combined will become ubiquitous in quantum technologies based on superconducting qubit circuits.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트에서 간우성 양성자 유도 비안정화 문제를 다루며, 아직 주요 노이즈 원인은 아니지만 점점 증가하는 우려 사항임.
• 큐비트 장치에 도달하기 전에 양성자 조건을 직접 줄이는 실용적인, 칩 외부 전략을 식별하고 검증함.
• 심층 지하 시설이 필요 없이도 환경 차폐 및 장치 방향 조절을 통해 양성자 조건을 크게 줄일 수 있음을 입증함.
• 다른 연구팀이 복제할 수 있도록 이식 가능하고 재사용 가능한 양성자 검출 시스템을 제공함.
• 향후 고장 내성 양자 컴퓨팅을 위한 칩 내부 노이즈 완화 전략과 함께, 양성자 조건 감쇠를 핵심 보완 전략으로 위치함.

제안 방법

• 실제 환경에서 간우성 양성자 조건을 측정하기 위해 이동 가능하고, 이중 섬유광 검출기 동시성 검출기를 설계 및 제작함.
• 표면 수준, 다양한 얕은 지하 시설(예: 지하철 터널, 싱크로트론 지하 기초), 천정 대비 다양한 칩 방향에서의 양성자 수를 측정함.
• 양성자 조건이 기울인 각도에 따라 어떻게 변하는지 정량화하기 위해 각도 의존성 모델링을 적용함. 이는 기상 대기에서 기울인 각도로 인한 양성자 흡수를 활용함.
• 암석 덮개 두께에 따른 양성자 조건 감쇠를 측정하여, 알려진 양성자 흡수 물리학과 일치하는 지수 감쇠 경향을 확인함.
• 검출기 사각형 시간으로 인한 허위 동시성 수를 제거하여 정확한 조건 측정을 확보함.
• 중간 수준의 차폐 조건에서 성능을 기준으로 삼기 위해 ALBA 싱크로트론 지하 기초를 대표적인 얕은 지하 실험 시설로 활용함.

Figure 1 : Illustration of the detector-coincidence concept to detect muons and filter out the signals from $\alpha$ , $\beta$ and $\gamma$ radiation, that do not produce coincidences.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 천정을 향하는 것보다 수평 방향으로 칩을 정렬함으로써 초전도 큐비트 실험에서 간우성 양성자 조건 노출을 줄일 수 있는가?
• RQ2 표면 수준에 비해 10–100m 깊이의 얕은 지하 시설에서 간우성 양성자 조건은 어느 정도 감쇠되는가?
• RQ3 방향 조절과 얕은 지하 차폐를 병행했을 때, 양성자 조건 감소는 어느 정도의 정량적 수준에 도달하는가?
• RQ4 얕은 지하 시설(예: 무거운 광물에서 기인한 환경 방사능)의 방사능이 양성자 검출에 영향을 미치며, 추가 차폐가 필요한가?
• RQ5 이식 가능하고 저비용인 이동식 양성자 검출기로 다양한 실험 환경에서 양성자 조건을 신뢰성 있게 특성화할 수 있는가?

주요 결과

• 천정을 향하는 것보다 수평으로 정렬된 칩는 대기 경로 길이 증가와 흡수로 인해 1.6배의 양성자 조건 감소를 경험함.
• 100m 깊이에서는 표면 측정치 대비 최대 35배의 양성자 조건 감쇠가 발생하며, Vallvidrera 터널 현장에서는 36배 감쇠를 기록함.
• 6m 깊이의 얕은 시설에서도 양성자 조건이 2배 감소하여, 낮은 깊이에서도 상당한 보호 효과를 보임.
• ALBA 싱크로트란 지하 기초 시설에서는 1.1 CPM를 기록하여 표면(40 CPM) 대비 36배 감쇠를 확인함.
• TMB 지하철 시설은 1.4 CPM(29배 감쇠)를 기록하였지만, 무거운 광물에서 기인한 국소 방사능으로 인해 약간 높아, Pb와 같은 추가 차폐가 필요함.
• 100m 깊이에서는 양성자 이벤트 레이트가 약 3×10⁻⁴ s⁻¹ cm⁻²로 감소하여, 칩 면적 1cm²당 0.3 mHz로 감소함. 이는 표면 대비 9 mHz에 비해 상당한 감소를 보이며 이온화 방사선 영향이 크게 줄어듦.

Figure 2 : The muon detector inside the suitcase. The upper part is the power circuitry including the network inlet, the power supply and low voltage regulators, the HV generators and the lead battery for standalone operation without power connection. Below we positioned the two scintillator detecto