[논문 리뷰] Improved superconducting qubit coherence with high-temperature substrate annealing

Archana Kamal, Jonilyn Yoder외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 29.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 고온 기판 안내열(특히 900–1100 °C)이 사파이어 기판에서 초전도 큐비트의 코herence를 크게 향상시킴을 보여주며, 일반 증착 또는 분자빔 에pitaxial(분자빔 에pitaxial) 방식을 사용한 알루미늄 증착 조건에 관계없이, 생존시간(T₁)이 10배 이상 증가함을 확인하였다. 이는 기판-금속 및 기판-공기 인터페이스에서의 유전 손실 감소로 기인하며, 위상 분산 노이즈 수준은 모든 조건에서 유사하게 유지된다.

ABSTRACT

We assess independently the impact of high-temperature substrate annealing and metal deposition conditions on the coherence of transmon qubits in the standard 2D circuit-QED architecture. We restrict our study to devices made with aluminum interdigital capacitors on sapphire substrates. We record more than an order-of-magnitude improvement in the relaxation time of devices made with an annealed substrate, independent of whether a conventional evaporator or molecular beam epitaxy chamber was used to deposit the aluminum. We also infer similar levels of flux noise and photon shot noise through dephasing measurements on these devices. Our results indicate that substrate annealing plays a primary role in fabricating low-loss qubits, consistent with the hypothesis that substrate-air and substrate-metal interfaces are essential factors limiting the qubit lifetimes in superconducting circuits.

연구 동기 및 목표

• 기판 안내열과 금속 증착 조건이 초전도 큐비트의 코herence에 미치는 영향을 분리하고 정량화하는 것.
• 기판 준비 또는 금속 성장 환경 중 어느 것이 큐비트 생존시간(T₁) 향상에 더 큰 기여를 하는지 규명하는 것.
• 인터디지털 커패시터(IDC) 기하학적 형상이 전기장 분포와 유전 손실을 어떻게 조절하는지 평가하는 것.
• 안내열 처리된 장치와 비안내열 장치 간의 플럭스 노이즈 및 광자 슛 노이즈 수준을 평가하여, 코herence 향상의 원인이 노이즈가 아님을 확인하는 것.
• 기판 안내열을 고코herence 초전도 큐비트를 실현하기 위한 확장 가능하고 제조 공정에 적합한 방법으로 정립하는 것.

제안 방법

• 동일한 전자빔 증착을 사용하여 기판 안내열 여부에 따라 비교한 안내열 시험을 수행하여 트랜스몬의 T₁을 측정하였다.
• 동일하게 안내열 처리된 기판을 사용하여 일반 증착기(10⁻⁷ Torr)와 분자빔 에pitaxial(10⁻¹¹ Torr) 방식으로 알루미늄을 증착한 장치의 T₁을 비교하는 증착 시험을 수행하였다.
• 다양한 큐비트 주파수 간 비교를 가능하게 하기 위해 T₁을 주파수에 독립적인 품질 인자 Q로 매개변수화 하였다.
• 램지 및 에코 프로토콜을 사용하여 T₂ 및 위상 분산 시간을 측정하여 플럭스 노이즈 및 광자 슛 노이즈 기여도를 평가하였다.
• 에코 감쇠에서 플럭스 노이즈 진폭 A를 유도하기 위해 (T₂g^E)⁻¹ = DΦ√(A log 2) 관계를 사용하였으며, 공진기 광자 밀도 ⟨n⟩를 추정하기 위해 (Tϕ^E)⁻¹ = 8⟨n⟩χ²/(κ + 4χ²/κ) 식을 적용하였다.
• 유전 손실 및 T₁에 대한 기하학적 의존성 연구를 위해 IDC의 손가락 크기를 체계적으로 변화시켜(10/10, 10/20, 25/25 μm) 실험하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고온 기판 안내열이 알루미늄 증착 기술과 무관하게 큐비트 T₁를 독립적으로 향상시키는가?
• RQ2 관측된 T₁ 향상은 기판-금속 또는 기판-공기 인터페이스에서의 유전 손실 감소로 기인하는가?
• RQ3 안내열 처리된 기판과 비안내열 기판 간 플럭스 노이즈 및 광자 슛 노이즈 수준은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 인터디지털 커패시터 기하학적 형상이 전기장 참여도를 통해 큐비트 코herence에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 초고진공 증착이 필요 없이 기판 안내열만으로도 고코herence를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 안내열 처리된 사파이어 기판에 제작된 트랜스몬은 증착 방법과 관계없이 Q > 10⁶을 달성하였으며, 이는 비안내열 기판(Q ~ 10⁵) 대비 10배 이상 향상된 것이다.
• 비안내열 기판에서의 T₁은 약 0.25 μs였으나, 최적의 IDC 기하학적 형상(25/25 μm)을 가진 안내열 기판에서는 최대 35.3 μs까지 증가하였다.
• 플럭스 노이즈 진폭 A는 안내열 및 비안내열 장치 모두에서 (1.5–3) μΦ₀²로 추정되어, 플럭스 노이즈에 유의미한 차이가 없음을 시사한다.
• 공진기 광자 밀도 ⟨n⟩는 안내열 및 비안내열 장치 모두에서 약 0.007로 추정되었으며, 배경 슛 노이즈 수준과 일치한다.
• T₂ 위상 분산 시간은 광자 수 변동에 의해 일관되게 설명되었으며, 안내열 장치에서 추가적인 분산 메커니즘의 증거는 발견되지 않았다.
• T₁ 향상은 금속 증착 조건이나 노이즈 원인 때문이 아니라, 기판 인터페이스에서의 유전 손실 감소로 기인한다.