[논문 리뷰] Disentangling Losses in Tantalum Superconducting Circuits

Kevin D. Crowley, Russell A. McLellan외 18명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 19.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 60인용 수 12

한 줄 요약

논문은 태타늄 초전도 공진기의 마이크로파 손실을 표면 TLS, 벌크 TLS, 준입자, 및 잡다한 손실 채널로 분해하고, 표면 가공이 TLS 손실을 다소 줄일 수 있으며 표면 TLS와 벌크 TLS가 전체 손실에 비슷하게 기여한다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Superconducting qubits are a leading system for realizing large scale quantum processors, but overall gate fidelities suffer from coherence times limited by microwave dielectric loss. Recently discovered tantalum-based qubits exhibit record lifetimes exceeding 0.3 ms. Here we perform systematic, detailed measurements of superconducting tantalum resonators in order to disentangle sources of loss that limit state-of-the-art tantalum devices. By studying the dependence of loss on temperature, microwave photon number, and device geometry, we quantify materials-related losses and observe that the losses are dominated by several types of saturable two level systems (TLSs), with evidence that both surface and bulk related TLSs contribute to loss. Moreover, we show that surface TLSs can be altered with chemical processing. With four different surface conditions, we quantitatively extract the linear absorption associated with different surface TLS sources. Finally, we quantify the impact of the chemical processing at single photon powers, the relevant conditions for qubit device performance. In this regime we measure resonators with internal quality factors ranging from 5 to 15 x 10^6, comparable to the best qubits reported. In these devices the surface and bulk TLS contributions to loss are comparable, showing that systematic improvements in materials on both fronts will be necessary to improve qubit coherence further.

연구 동기 및 목표

• 최신 태타늄 초전도 디바이스에서의 유전 손실의 지배적 원인을 식별한다.
• 표면 대 벌크 TLS 기여도와 표면 가공이 손실에 미치는 영향을 정량적으로 평가한다.
• TLS, 준입자 및 기타 손실 채널을 온도와 전력 범위에 걸쳐 구분하는 정량적 모델을 개발한다.
• 표면 참여 비율(SPR)과 표면 처리와의 관계를 통해 기기에 따른 TLS 손실과 기하학적 요인을 연결한다.
• 재료 및 표면 가공을 통해 큐비트 코히런스를 개선하기 위한 실행 가능한 인사이트를 제공한다.

제안 방법

• 사파이어 기판 위에 Ta 공진기를 제작하고 표면 참여 비율을 변화시키기 위한 기하학적 변화를 적용한다.
• 마이크로파 전력과 온도에 따른 Q_int를 측정하여 3항 모형을 이용해 TLS, 준입자 및 기타 손실을 분리한다.
• Q_int^{-1} = Q_TLS^{-1}(n̄,T) + Q_QP^{-1}(T) + Q_other^{-1}로 데이터에 맞춘 적합을 수행하고 TLS와 QP 구성요소는 확립된 식으로 나타낸다.
• 적합으로부터 Q_TLS,0, D, β1, β2, Q_QP,0, Tc, 및 α를 추출하고 온도 유도 주파수 이동을 통해 (4)-(6) 식으로 Q_TLS,0를 검증한다.
• 표면 상태(자연상태 native, BOE, 장기간 BOE, 트라이산드)와 SPR을 바꿔 표면 TLS 기여를 분리하고 Eq. (7)으로 표면 손실을 접선 곡선과 산화층 두께로 모델링한다.
• 각 표면 조건에 대해 단일 광자 전력 손실과 명목상 손실 접선 값을 추정하여 큐비트 성능을 대리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 크라이오온도와 마이크로파 전력에서 태타늄 초전도 공진기의 지배적 손실 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 표면 및 벌크 TLS 배설물이 손실에 어떻게 기여하며 표면 처리로 이러한 손실이 어떻게 달라지는가?
• RQ3 표면 참여 비율(SPR)이 TLS 관련 손실에 어떤 영향을 주며 표면 가공이 이를 의미 있게 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 온도 및 전력 구간에서 다른 손실 채널(준입자 및 비-TLS)의 규모는 어떠한가?
• RQ5 장치 간에 TLS, 준입자 및 기타 손실을 정량적으로 일관되게 분리하는 모델이 존재하는가?

주요 결과

• 저전력 및 저온에서 손실은 포화 가능한 TLS에 의해 지배되며, 고전력에서 Q_int가 최대 2 × 10^8까지, 저전력에서 1 × 10^5 ~ 1 × 10^7 사이로 나타난다.
• Q_int(T, n̄)의 세 가지 레짐은 각각 TLS, 평형 준입자, 전력 및 온도에 독립적인 손실 채널을 가리킨다.
• SPR이 낮은 소형 소자는 표면 TLS에 의해 더 잘 제어되며, 더 큰 소자는 벌크 TLS 기여를 드러낸다; 표면 처리는 표면 TLS 손실을 대략 1.9–2.0× 감소시키는 경향이 조건에 따라 다르다.
• BOE, 장기 BOE, 자연상태(native), 트라이산드 표면의 표면 손실 접선은 각각 (7.2±0.6)×10^-4, (7±1)×10^-4, (13.6±0.6)×10^-4, (14±3)×10^-4이며 벌크 손실 접선은 (1.5±0.2)×10^-7이다.
• 표면 참여 비율을 고려한 TaOx 고유 손실 접선은 약 (5±1)×10^-3이며 표면 참여를 재조정하면 대략 (5±1)×10^-4로 재스케일된다. 탄소계 유기물 관련 손실은 자연 상태의 표면에서 상당한 비중으로 기여한다.
• 단일 광자 전력에서 Q_TLS(n̄=1)은 5 ~ 15 × 10^6 범위로, 최첨단 큐비트와 비슷하며 표면 가공(BOE)이 이 값을 개선한다.