[논문 리뷰] Localization and reduction of superconducting quantum coherent circuit losses

M. Virginia P. Altoé, Archan Banerjee외 17명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 14.

Photonic and Optical Devices인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 후공정 에칭을 통해 니오븀과 실리카 표면 산화물을 선택적으로 수정함으로써 초전도 큐비트 회로에서 지배적인 손실 메커니즘을 규명하고 이를 완화한다. 공면 니오븀-실리카 공진기들을 사용하여 저자들은 TLS 손실을 85% 감소시키고 비-TLS 손실을 72% 감소시켰으며, 500만 이상의 기록적인 단일 광자 품질 인자(Q)를 달성하였다. 실리카 산화물이 TLS의 주요 원인으로 규명되었고, 니오븀 산화물은 비-TLS 손실에 기여한다.

ABSTRACT

Quantum sensing and computation can be realized with superconducting microwave circuits. Qubits are engineered quantum systems of capacitors and inductors with non-linear Josephson junctions. They operate in the single-excitation quantum regime, photons of $27 μ$eV at 6.5 GHz. Quantum coherence is fundamentally limited by materials defects, in particular atomic-scale parasitic two-level systems (TLS) in amorphous dielectrics at circuit interfaces.[1] The electric fields driving oscillating charges in quantum circuits resonantly couple to TLS, producing phase noise and dissipation. We use coplanar niobium-on-silicon superconducting resonators to probe decoherence in quantum circuits. By selectively modifying interface dielectrics, we show that most TLS losses come from the silicon surface oxide, and most non-TLS losses are distributed throughout the niobium surface oxide. Through post-fabrication interface modification we reduced TLS losses by 85% and non-TLS losses by 72%, obtaining record single-photon resonator quality factors above 5 million and approaching a regime where non-TLS losses are dominant. [1]Müller, C., Cole, J. H. & Lisenfeld, J. Towards understanding two-level-systems in amorphous solids: insights from quantum circuits. Rep. Prog. Phys. 82, 124501 (2019)

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트 회로에서의 디코herence의 주요 원인을 규명하는 것.
• 다양한 인터페이스 재료에서 온두이 레벨 시스템(TLS)과 비-TLS 손실의 상대 기여도를 규명하는 것.
• 대상 지정된 후공정 인터페이스 공학을 통해 전체 회로 손실을 감소시키는 것.
• 핵심 손실 채널 억제를 통해 단일 광자 공진기에서 기록적인 품질 인자를 달성하는 것.

제안 방법

• 버퍼드 산화물 에칭(BOE)을 사용한 후공정 공면 니오븀-실리카 공진기의 에칭을 통해 표면 산화물을 선택적으로 수정하는 방법.
• 에칭 후 니오븀 및 실리카 산화물 두께와 화학적 상태를 정량화하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS)을 사용하는 방법.
• 나노미터 및 애너스트 해상도의 원소 및 화학적 상태 맵핑을 위해 스캐닝 투과형 전자현미경(STEM)과 EDS, EELS를 활용하는 방법.
• 온도 및 광자 수 영역에서 품질 인자(Q)를 측정하고 손실 매개변수를 추출하기 위해 마이크로파 반사도 측정을 사용하는 방법.
• 온도 및 전력 의존성 손실 데이터에 표준 터널링 모델(STM)을 적합하고, TLS-TLS 상호작용을 시사하는 이질성을 포함하는 방법.
• 에칭 시간이 다른 여러 칩을 체계적으로 비교하여 실리카 산화물(SiOx)과 니오븀 산화물(NbOx) 층의 영향을 분리하는 방법.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 공진기에서 두 가지 인터페이스 산화물 중 실리카 또는 니오븀이 온두이 레벨 시스템(TLS) 손실을 지배하는가?
• RQ2 니오븀 및 실리카 표면 산화물에서 기인하는 비-TLS 손실의 상대 기여도는 얼마인가?
• RQ3 후공정 에칭 공정이 공진기 인터페이스의 화학적 및 미세 구조적 구조를 어떻게 변화시키는가?
• RQ4 선택적 인터페이스 공학을 통해 TLS 및 비-TLS 손실을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 인터페이스 수정이 단일 광자 영역에서 공진기 품질 인자에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 1200초 BOE 에칭을 통해 TLS 손실이 85% 감소하였으며, 실리카 표면 산화물이 TLS의 주요 원인으로 규명되었다.
• 동일한 에칭 공정을 통해 비-TLS 손실이 72% 감소하여 니오븀 표면 산화물이 비-TLS 소산에 주요 기여를 한다는 것이 확인되었다.
• 기록적인 단일 광자 품질 인자 500만 이상을 달성하였으며, 이는 비-TLS 손실이 지배하는 영역에 가까워진 상태이다.
• XPS 및 STEM 분석을 통해 니오븀 산화물 두께는 에칭 시간에 따라 단조롭게 감소하는 것으로 확인되었고, 실리카 산화물 두께는 환경 노출로 인해 칩 간에 변동성이 있었다.
• 일부 공진기에서는 표준 터널링 모델에서의 이질성(β ≈ 0.25)이 관찰되어 TLS-TLS 상호작용에 의한 TLS 에너지 확산이 발생함을 시사하였다.
• 반복 측정에서 공진기 간에 Q 인자가 변동하는 것으로 나타나, 잔류적인 환경적 또는 국소적 구조적 변동에 민감한 것으로 보였다.