[논문 리뷰] Flux Qubits in Three-Dimensional Circuit-QED Architecture

Michael Stern, Yuimaru Kubo외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 16.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 초전도성 플럭스 큐비트를 3차원 구리 공진기와 통합하고, 칩 내 인덕성 결합을 통해 공진기와 연결함으로써, 플럭스에 민감하지 않은 작동 조건에서 고유 에너지 감쇠 시간이 6–20 μs이고 순수 비호모로지 시간이 3–10 μs에 이르는 성과를 달성하여, 양자 coherence를 크게 향상시키고 향후 일관된 스핀 결합 가능성을 열어줌.

ABSTRACT

We present measurements of superconducting flux qubits embedded in a three dimensional copper cavity. The qubits are fabricated on a sapphire substrate and are measured by coupling them inductively to an on-chip superconducting resonator located in the middle of the cavity. At their flux-insensitive point, all measured qubits reach an intrinsic energy relaxation time in the 6-20 microseconds range and a pure dephasing time comprised between 3 and 10 microseconds. This significant improvement over previous works opens the way to the coherent coupling of a flux-qubit to individual spins.

연구 동기 및 목표

• 3차원 회로-QED 아키텍처에 통합함으로써 초전도성 플럭스 큐비트의 코herence 시간을 향상시키는 것.
• 스케일러블 양자 컴퓨팅에서의 활용을 제한하는 플럭스 큐비트의 짧은 비호모로지 시간 문제를 해결하는 것.
• 긴 고유 감쇠 시간과 비호모로지 시간을 달성함으로써 플럭스 큐비트와 개별 스핀 간의 일관된 결합을 가능하게 하는 것.
• 향상된 코herence를 갖춘 플럭스 큐비트를 활용한 스케일러블 양자 정보 처리 플랫폼을 구현하는 것.

제안 방법

• 플럭스 큐비트는 사파이어 기판에 제작되어 3차원 구리 공진기 내에 내장되어 전자기적 구속을 강화하고 비호모로지 시간을 단축함.
• 큐비트는 공진기의 중심에 위치한 칩 내 초전도성 공진기와 인덕성 결합되어 강한 일관된 결합을 가능하게 함.
• 자기장 플럭스 노이즈에 대한 민감도를 최소화하기 위해 큐비트의 플럭스에 민감하지 않은 점에서 측정 수행.
• 에너지 감쇠(T₁)와 순수 비호모로지(T₂*)의 표준 스펙트로스코픽 측정을 통해 코herence 시간을 추출함.
• 평면형 아키텍처에 비해 3D 공진기 기하구조가 더 높은 품질 인자와 외부 노이즈 소스에 대한 낮은 결합을 제공함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플럭스 큐비트가 3D 회로-QED 아키텍처에 통합될 경우 상당한 향상된 코herence 시간을 달성할 수 있는가?
• RQ2 칩 내 공진기와의 인덕성 결합이 큐비트의 코herence와 제어 정밀도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 3D 공진기 환경에서 플럭스 큐비트의 고유 감쇠 시간과 비호모로지 시간을 10마이크로초 수준으로 연장할 수 있는가?
• RQ4 향상된 코herence 수준이 플럭스 큐비트와 개별 스핀 간의 일관된 결합을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 플럭스 큐비트는 6–20 마이크로초 범위의 고유 에너지 감쇠 시간(T₁)을 달성하여 이전의 실현 방식에 비해 상당한 향상이 이루어짐.
• 순수 비호모로지 시간(T₂*)은 3에서 10 마이크로초 사이로 측정되어 플럭스에 민감하지 않은 작동 조건에서 환경 노이즈에 대한 민감도가 감소함을 나타냄.
• 3D 공진기의 구속과 칩 내 공진기 결합의 조합이 평면형 플럭스 큐비트에 영향을 주는 비호모로지 메커니즘을 효과적으로 억제함.
• 관측된 코herence 시간은 스케일러블 양자 정보 처리에 필수적인 플럭스 큐비트와 개별 스핀 간의 일관된 결합을 지원하는 데에 충분함.
• 결과적으로 3D 회로-QED 아키텍처가 안정적이고 장수명인 플럭스 큐비트를 가능하게 하여 고도화된 양자 연산에 적합함을 입증함.