[논문 리뷰] Hexagonal Boron Nitride (hBN) as a Low-loss Dielectric for Superconducting Quantum Circuits and Qubits

Joel I-J. Wang, Megan Yamoah외 20명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 31.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 28인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초전도 양자 회로에서 헥사곤형 질화붕소(hBN)가 저손실 유전체임을 입증하며, 저온·단광자 상태에서 마이크로파 손실 탄성률이 최대 10^{-6} 이하임을 보여준다. 알루미늄 조지프슨 결합과 hBN 커패시터를 통합함으로써 저자들은 공명시간이 최대 25 μs에 이르는 트랜스몬 큐비트를 실현하였으며, 기존 설계 대비 큐비트 면적을 약 두 배수 감소시켰다.

ABSTRACT

Dielectrics with low loss at microwave frequencies are imperative for high-coherence solid-state quantum computing platforms. We study the dielectric loss of hexagonal boron nitride (hBN) thin films in the microwave regime by measuring the quality factor of parallel-plate capacitors (PPCs) made of NbSe$_{2}$-hBN-NbSe$_{2}$ heterostructures integrated into superconducting circuits. The extracted microwave loss tangent of hBN is bounded to be at most in the mid-10$^{-6}$ range in the low temperature, single-photon regime. We integrate hBN PPCs with aluminum Josephson junctions to realize transmon qubits with coherence times reaching 25 $μ$s, consistent with the hBN loss tangent inferred from resonator measurements. The hBN PPC reduces the qubit feature size by approximately two-orders of magnitude compared to conventional all-aluminum coplanar transmons. Our results establish hBN as a promising dielectric for building high-coherence quantum circuits with substantially reduced footprint and, with a high energy participation that helps to reduce unwanted qubit cross-talk.

연구 동기 및 목표

• 초전도 양자 회로에서 헥사곤형 질화붕소(hBN)의 마이크로파 유전체 손실을 평가하는 것.
• 고체상 양자 컴퓨팅 플랫폼에서 큐비트 공명을 제한하는 유전체 손실 문제를 해결하는 것.
• hBN을 유전체로 사용하여 확장 가능하고 소형 큐비트 아키텍처를 개발하는 것.
• hBN이 고공명 큐비트를 가능하게 하고, 높은 에너지 참여도로 인해 교차 간섭을 감소시킬 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 마이크로파 특성 분석을 위한 NbSe₂-hBN-NbSe₂ 이종 구조 평행판 커패시터(PPC)의 제작.
• 초전도 회로에서 PPC의 품질 인자를 측정하여 hBN의 마이크로파 손실 탄성률을 추출하는 것.
• hBN PPC를 알루미늄 조지프슨 결합과 통합하여 트랜스몬 큐비트를 실현하는 것.
• 최소한의 소산과 정확한 손실 정량화를 확보하기 위해 저온·단광자 상태에서의 측정을 수행하는 것.
• 레조나터 측정에서 유도된 hBN 손실 탄성률 기반 이론적 예측과 큐비트 공명 시간을 비교하는 것.
• 정밀한 마이크로파 스펙트로스코피 및 극저온 측정 기술을 활용하여 성능을 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저온·단광자 상태에서 헥사곤형 질화붕소(hBN)의 마이크로파 유전체 손실 탄성률은 얼마인가?
• RQ2 hBN은 큐비트 공명을 떨어뜨리지 않고 초전도 양자 회로에서 실용적인 저손실 유전체로 기능할 수 있는가?
• RQ3 기존의 전 알루미늄 공면 설계 대비 hBN는 트랜스몬 큐비트의 물리적 면적을 얼마나 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 hBN 커패시터의 높은 에너지 참여도는 다중 큐비트 아키텍처에서 큐비트 간 교차 간섭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 hBN 기반 트랜스몬 큐비트의 공명 시간은 레조나터 측정에서 유도된 손실 탄성률과 일치하는가?

주요 결과

• 저온·단광자 상태에서 hBN의 마이크로파 손실 탄성률는 최대 10^{-6} 이하로 제한되며, 이는 매우 낮은 유전체 손실을 나타낸다.
• hBN 기반 트랜스몬 큐비트는 최대 25 μs의 공명 시간을 달성하였으며, 레조나터 측정에서 측정된 손실 탄성률와 일치한다.
• hBN의 사용은 기존의 전 알루미늄 공면 트랜스몬 큐비트 대비 큐비트 기능 크기를 약 두 배수 감소시킨다.
• hBN 커패시터의 높은 에너지 참여도는 다중 큐비트 시스템에서의 불필요한 큐비트 간섭을 억제하는 데 기여한다.
• 초전도 회로에 hBN를 통합함으로써 기존 제조 공정과의 호환성과 확장 가능성이 입증된다.
• 결과적으로 hBN는 향상된 성능 지표를 갖춘 고공명·소형 양자 회로를 위한 유망한 유전체로 입증된다.