[논문 리뷰] Integration of selectively grown topological insulator nanoribbons in superconducting quantum circuits

Tobias Schmitt, M. R. Connolly외 16명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 08.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 선택적 영역 epitaxy와 국소 스텐실 리터그래피를 이용하여 나노스케일의 토폴로지컬 절연체 나노나선을 밀리미터 스케일의 초전도 양자 회로에 통합하는 것을 보여준다. 이 기술은 토폴로지컬 절연체로 셸딩된 큐비트에 결합된 칩 내 마이크로파 공진기를 가능하게 하여 비선형 큐비트 행동을 드러내고 초전도 마이크로파 응용 분야와의 호환성을 확인한다.

ABSTRACT

We report on the precise integration of nm-scale topological insulator Josephson junctions into mm-scale superconducting quantum circuits via selective area epitaxy and local stencil lithography. By studying dielectric losses of superconducting microwave resonators fabricated on top of our selective area growth mask, we verify the compatibility of this in situ technique with microwave applications. We probe the microwave response of on-chip microwave cavities coupled to topological insulator-shunted superconducting qubit devices and observe a power dependence that indicates nonlinear qubit behaviour. Our method enables integration of complex networks of topological insulator nanostructures into superconducting circuits, paving the way for both novel voltage-controlled Josephson and topological qubits.

연구 동기 및 목표

• 토폴로지컬 절연체 나노구조를 초전도 양자 회로에 통합하기 위한 확장 가능한 방법을 개발하는 것.
• 밀리미터 스케일의 양자 장치 내에서 나노미터 스케일의 토폴로지컬 절연체 조지프슨 접합을 정밀하게 배치하는 것.
• 유전 손실 측정을 통해 통합 기술이 초전도 마이크로파 응용 분야와 호환되는지 확인하는 것.
• 토폴로지컬 절연체로 셸딩된 큐비트에 결합된 칩 내 공진기의 비선형 마이크로파 반응을 탐구하는 것.
• 초전도 양자 구조에서 토폴로지컬 절연체 기반 큐비트의 복잡한 네트워크를 구현하는 데 기반을 마련하는 것.

제안 방법

• 정의된 마스크 상에서 원자 정밀도로 토폴로지컬 절연체 나노나선을 선택적 영역 에피택시를 통해 성장시킨다.
• 국소 스텐실 리터그래피를 통해 나노나선을 초전도 회로 구성 요소에 대해 정밀하게 위치시킨다.
• 재료 호환성을 평가하기 위해 성장 마스크 상에 제작된 마이크로파 공진기에서 유전 손실 측정을 수행한다.
• 칩 내 마이크로파 공진기와 토폴로지컬 절연체로 셸딩된 초전도 큐비트를 결합하여 마이크로파 반응 특성을 분석한다.
• 큐비트 시스템의 비선형 행동을 탐구하기 위해 전력 의존성 마이크로파 반응을 측정한다.
• 통합 과정은 현장에서 수행되어 재료의 무결성을 유지하고 양자 회로와 직접 결합 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선택적 영역 에피택시 기술을 이용하여 확장 가능한 제조 기법으로 나노스케일의 토폴로지컬 절연체 나노나선을 밀리미터 스케일의 초전도 양자 회로에 정밀하게 통합할 수 있는가?
• RQ2 통합 과정에서 사용된 선택적 영역 성장 마스크의 마이크로파 호환성은 어떠한가?
• RQ3 토폴로지컬 절연체로 셸딩된 큐비트에 결합된 칩 내 공진기의 마이크로파 반응은 전력 수준이 변화할 때 어떻게 변화하는가?
• RQ4 이 통합 기술이 초전도 회로 내에서 토폴로지컬 절연체 나노구조의 복잡한 네트워크 형성에 기여할 수 있는가?
• RQ5 이 접근법을 통해 전압 제어가 가능한 조지프슨 큐비트와 토폴로지컬 큐비트의 실현 가능성을 뒷받침하는 증거는 무엇인가?

주요 결과

• 성장 마스크 상에 제작된 공진기에서의 유전 손실 측정 결과, 선택적 영역 에피택시 기술이 초전도 마이크로파 응용 분야와 호환됨을 확인한다.
• 토폴로지컬 절연체로 셸딩된 큐비트에 결합된 칩 내 공진기에서 전력 의존성 마이크로파 반응이 관측되어 비선형 큐비트 행동을 시사한다.
• 통합 기술을 통해 초전도 회로 내에서 나노미터 스케일의 토폴로지컬 절연체 조지프슨 접합을 정밀하게 배치할 수 있다.
• 현장에서의 제조 과정은 재료 품질을 유지하고 양자 장치와 직접 결합 가능하게 한다.
• 이 접근법은 확장 가능한 초전도 양자 회로에서 전압 제어가 가능한 조지프슨 큐비트와 토폴로지컬 큐비트를 실현하는 데 길을 열어준다.
• 이 기술은 확장 가능하며 초전도 회로 내에서 토폴로지컬 절연체 나노구조의 복잡한 네트워크를 구성하는 데 적합하다.