[논문 리뷰] Decoherence of a tunable capacitively shunted flux qubit

R. Trappen, Xi Dai외 20명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 26.

Quantum and electron transport phenomenaPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 양자 안내를 위한 조절 가능한 커패시티브로 쇄선된 플럭스 큐비트에서의 비호환성 메커니즘을 조사하며, 3 GHz 이하에서는 내재된 플럭스 노이즈가 주요 스며들음 원인임을 밝히고, 높은 주파수에서는 바이어스 라인의 열 노이즈가 영향을 미침을 확인한다. 주요 발견은 큐비트 루프의 저주파수 플럭스 노이즈가 두 루프 모두에서 위상 분산을 유도하며, 루프 간 노이즈 상관관계가 가능할 수 있음을 시사하여, 향후 스케일러블한 양자 안내기의 비호환성 향상 설계에 기여한다.

ABSTRACT

Quantum annealing is a method to solve optimization problems that leverages quantum tunneling in a coupled qubit system. We present a detailed study of the coherence of a tunable capacitively-shunted flux qubit, designed for coherent quantum annealing applications. We find that for high qubit frequencies, thermal noise in the bias line makes a significant contribution to the relaxation, arising from the design choice to experimentally explore both fast annealing and high-frequency control. The measured dephasing rate is primarily due to intrinsic low-frequency flux noise in the two qubit loops, with additional contribution from the low-frequency noise of control electronics used for fast annealing. Our results characterize decoherence in a realistic setup for quantum annealing and are relevant for ongoing efforts toward building superconducting quantum annealers with increased coherence.

연구 동기 및 목표

• 조절 가능한 커패시티브로 쇄선된 플럭스 큐비트에서의 스며들음 및 위상 분산 메커니즘을 양자 안내 응용을 위해 특성화하기.
• 다양한 큐비트 주파수와 플럭스 바이어스에서 T₁과 Tϕ에 영향을 미치는 주요 노이즈 원인을 규명하기.
• X- 및 Z-플럭스 루프 간의 노이즈 상관관계가 큐비트 비호환성에 영향을 미칠 수 있는지 조사하기.
• 비활성 전류 노이즈, 광자 슈트 노이즈, 준입자 효과가 위상 분산에 기여하는 정도 평가하기.
• 주요 비호환성 채널을 규명함으로써 향후 고비호환성 초전도 큐비트 안내기 설계를 이끌기.

제안 방법

• 다양한 플럭스 바이어스와 큐비트 주파수 범위에서 스며들음 시간 T₁과 라마지 위상 분산 시간 Tϕ 측정.
• 비호환성 속도를 노이즈 전력 스펙트럼 밀도(PSD) 및 노이즈 결합 연산자 행렬 요소와 연결하기 위해 블로흐-레드필드 이론 사용.
• 큐비트 주파수의 임계 전류 및 플럭스 바이어스에 대한 민감도를 수치 회로 모델링으로 계산하여, 노이즈 유도 위상 분산 추정.
• 전자 노이즈를 억제하고, 고유의 파형 생성기(AWGs) 기여도를 분리하기 위해 저통과 필터(100 MHz 및 32 kHz) 적용.
• 정적 및 마코비안 근사에서 유도된 해석적 표현을 사용하여 2차 플럭스 노이즈 결합 및 광자 슈트 노이즈 기여도 평가.
• 전하 노이즈 및 준입자 효과 평가를 위해 전하 오프셋 변화에 따른 주파수 이동 측정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 주파수 영역에서 커패시티브로 쇄선된 플럭스 큐비트에서 스며들음(T₁)을 유도하는 주요 노이즈 원인은 무엇인가요?
• RQ2 X- 및 Z-플럭스 루프의 플럭스 바이어스에 따른 위상 분산(Tϕ) 의존성은 노이즈 상관관계에 대해 어떤 의미를 갖는가요?
• RQ3 내재된 플럭스 노이즈에 비해 비활성 전류 노이즈, 광자 슈트 노이즈, 준입자 효과가 위상 분산에 기여하는 정도는 어느 정도인가요?
• RQ4 고주파수 큐비트에서 바이어스 라인 및 제어 전자기기의 열 노이즈가 비호환성에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 관측된 위상 분산 행동은 1차 플럭스 노이즈 결합으로 설명될 수 있는가, 아니면 고차항 효과가 중요할까?

주요 결과

• 약 3 GHz 이하에서는 대칭점에서의 스며들음이 주로 메인 큐비트 루프 내재의 저주파수 플럭스 노이즈에 기인한다.
• 고주파수 영역(>3 GHz)에서는 빠른 안내 및 고주파수 제어를 가능하게 하는 설계로 인해 바이어스 라인의 열 노이즈가 스며들음에 중요한 기여를 한다.
• 위상 분산은 X- 및 Z-플럭스 루프 모두에서 내재된 저주파수 플럭스 노이즈에 의해 주로 결정되며, 빠른 안내 제어 전자기기의 저주파수 노이즈 기여도도 있다.
• 위상 분산 시간의 플럭스 바이어스 의존성은 두 큐비트 루프 간에 명백한 노이즈 상관관계를 시사하며, 이는 국소적이지 않은 플럭스 노이즈 또는 접합 임계 전류 노이즈가 원인일 수 있음을 시사한다.
• 임계 전류 노이즈는 각 접합당 4.0×10⁻⁶의 정규화된 진폭으로 추정되며, 위상 분산에 상당한 기여를 하며, X- 및 Z-루프 노이즈 간 관측된 상관관계를 설명할 수 있다.
• 광자 슈트 노이즈 및 2차 플럭스 노이즈 결합 기여는 무시할 수 있으며, 추정된 위상 분산 속도는 각각 약 1 kHz 및 약 1 MHz로 측정된 값보다 훨씬 낮다.