[논문 리뷰] Energy Decay in Josephson Qubits from Non-equilibrium Quasiparticles

John M. Martinis, M. Ansmann외 1명|ArXiv.org|2009. 04. 14.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비평형 준입자를 조지프슨 큐비트와 초전도성 공진기에서 에너지 감쇠의 중요한 원인로 제안하며, 준입자 터널링에 의해 유도되는 완화를 모델링하기 위해 일반화된 P(E) 이론을 사용한다. 이 모델은 실험적으로 측정된 준입자 밀도 10/μm³와 일치하는 감쇠율을 예측하며, 120 mK 이하에서 온도가 증가함에 따라 감쇠율이 약간 감소하는 관찰 결과를 설명한다. 이후 열적 여기로 인해 급격히 증가하는 현상도 설명한다.

ABSTRACT

We calculate the energy decay rate of Josephson qubits and superconducting resonators from non-equilibrium quasiparticles. The decay rates from experiments are shown to be consistent with predictions based on a prior measurement of the quasiparticle density n_qp = 10/um^3, which suggests that non-equilibrium quasiparticles are an important decoherence source for Josephson qubits. Calculations of the energy-decay and diffusion of quasiparticles also indicate that prior engineered gap and trap structures, which reduce the density of quasiparticles, should be redesigned to improve their efficacy. This model also explains a striking feature in Josephson qubits and resonators - a small reduction in decay rate with increasing temperature.

연구 동기 및 목표

• 비평형 준입자가 조지프슨 큐비트와 공진기에서 에너지 감쇠에 미치는 역할을 이해하는 것.
• 준입자 밀도와 큐비트 완화율 Γ₁을 연결하는 이론적 모델을 개발하는 것.
• 실험적으로 관측된 Γ₁의 비단조화적인 온도 의존성(약 120 mK에서 최소값)을 설명하는 것.
• 공학적으로 설계된 갭 및 트랩 구조가 준입자 유도 디코herence를 억제하는 데 얼마나 효과적인지 평가하는 것.
• 준입자 확산 길이와 재결합 시간 스케일을 추정하여 향후 큐비트 설계를 안내하는 것.

제안 방법

• 논문은 환경 P(E) 이론을 확장하여 전자형 및 구멍형 준입자의 터널링을 포함하며, 접합 터널링 중 에너지 전달을 고려한다.
• 초기 준입자 에너지와 점유 확률에 대한 통합을 통해 큐비트 감쇠율 Γ₁의 일반적인 표현을 유도하며, BCS 조율 인자와 상태 밀도를 포함한다.
• 이전 실험에서 측정된 준입자 밀도 n_qp = 10/μm³를 사용하여 Γ₁를 예측하며, 관측된 완화율과 양호한 일치를 보인다.
• 전자-포논 및 전자-전자 산란 비율을 사용하여 준입자 확산 길이를 계산하여, 밀리미터 수준의 평형 길이를 도출한다.
• 전자-포논 결합을 기반으로 준입자의 에너지 분포를 추정하며, 초전도 갭 근처에서 피크를 이룬다.
• 전력 추정을 통해 우주선, 배경 방사능, 열복사와 같은 가능성이 준입자 주입에 기여할 수 있음을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비평형 준입자는 조지프슨 큐비트와 공진기에서 에너지 감쇠에 어떤 기여를 하는가?
• RQ2 왜 큐비트 완화율은 온도가 증가함에 따라 약간 감소하다가 높은 온도에서 증가하는가?
• RQ3 공학적으로 설계된 갭 및 트랩 구조는 준입자 밀도와 디코herence를 줄이는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 초전도 회로에서 관련된 준입자 확산 길이와 재결합 시간 스케일은 무엇인가?
• RQ5 관측된 준입자 밀도 10/μm³를 유도할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• n_qp = 10/μm³ 기반으로 예측된 에너지 감쇠율 Γ₁은 실험 관측치와 합리적인 일치를 보이며, 비평형 준입자가 중요한 디코herence 원인임을 확인한다.
• 모델은 120 mK 근처에서 관측된 감쇠율의 최소값을 설명하며, 준입자 주입과 기저 상태 인구 감소의 상반된 효과가 원인임을 밝힌다.
• 준입자 확산 길이는 밀리미터 수준으로 추정되며, 이는 국소적 트랩만으로는 부족하고 효과적인 억제를 위해 대규모 구조가 필요함을 시사한다.
• 1.1Δ 이하 에너지에서 전자-전자 산란에 의한 준입자 에너지 완화의 특성 시간은 전자-포논 산란보다 짧다.
• 전력 추정 결과, 우주선, 배경 방사능, 열복사 등이 관측된 n_qp 수준에서 준입자 주입에 기여할 수 있음을 시사한다.
• 연구는 준입자 트랩을 밀리미터 수준의 크기로 재설계해야만 비평형 준입자를 효과적으로 억제할 수 있음을 결론 내린다.