[논문 리뷰] Millisecond coherence in a superconducting qubit

Aaron Somoroff, Quentin Ficheux외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 15.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 램지 공명 시간이 $ T_2^* = 1.48 \pm 0.13 \, \text{ms} $인 플럭스온 초전도 큐비트를 보여주며, 이는 이전 초전도 큐비트 기록을 한 단계 높은 수준으로 초월한다. 재료 결함을 최소화하고 비열적 입자에 의한 붕괴를 억제함으로써, 저자들은 단일 큐비트 게이트의 정확도가 0.9999를 초과하는 것을 달성하였으며, 이는 고체 상태 양자 시스템에서의 공명과 제어의 새로운 기준을 설정한다.

ABSTRACT

Increasing the degree of control over physical qubits is a crucial component of quantum computing research. We report a superconducting qubit of fluxonium type with the Ramsey coherence time reaching $T_2^*= 1.48 \pm 0.13 \mathrm{~ms}$, which exceeds the state of the art value by an order of magnitude. As a result, the average single-qubit gate fidelity grew above $0.9999$, surpassing, to our knowledge, any other solid-state quantum system. Furthermore, by measuring energy relaxation of the parity-forbidden transition to second excited state, we exclude the effect of out-of-equilibrium quasiparticles on coherence in our circuit. Combined with recent demonstrations of two-qubit gates on fluxoniums, our result paves the way for the next generation of quantum processors.

연구 동기 및 목표

• 약 10년간 약 100 µs 수준에서 정체되어 온 초전도 큐비트에서 밀리초 공명 한계를 돌파하기 위해.
• 초전도 큐비트의 공명을 제한하는 주요 비공명 메커니즘을 특정하고 억제하기 위해, 특히 비열적 입자 터널링과 유전체 손실을 중심으로.
• 플럭스온 큐비트의 전하 및 泄漏 오류에 대한 내재적 보호 기능을 활용하여 고정확도 양자 제어가 가능함을 입증하기 위해.
• 재료 품질 향상과 열화를 통해 고체 상태 시스템에서 밀리초 공명이 실현 가능함을 입증하고, 확장 가능한 양자 컴퓨팅을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 큰 비조화성과 낮은 전하 매트릭스 요소를 확보하기 위해 약한 조지프슨 접합과 강한 접합으로 이루어진 초전도성 배열을 갖춘 플럭스온 큐비트 디자인을 사용하였다.
• 분산 읽기 및 무선 주입을 위해 $ Q = 377 $ 이고 $ f = 7.54 \, \text{GHz} $ 인 3D 구리 공진기 구조를 사용하였다.
• 회로 매개변수를 결정하고 반반자리 플럭스 노이즈에 대한 민감도가 없음을 확인하기 위해 스펙트로스코피 및 플럭스 의존 측정을 수행하였다.
• 자기장 플럭스에 따른 $ T_1^{01} $ 과 $ T_1^{02} $ 를 측정하여 비열적 입자 터널링과 유전체 손실 중 어느 것이 주요 붕괴 메커니즘인지 식별하였다.
• 유전체 손실 모델 $ 1/T_1^{20} = 32\pi (E_C/h) |\langle 0|\hat{n}|2\rangle|^2 \tan\delta_C $ 를 적용하여 손실 탄젠트 $ \tan\delta_C \approx (1.5 - 4.5) \times 10^{-6} $ 를 추정하였다.
• 반반자리 플럭스에서 $ T_1^{01} $ 의 피크가 관측되지 않음을 통해 비열적 입자 터널링이 주요 붕괴 메커니즘이 아니라고 배제하였으며, 비열적 입자 밀도에 대한 상한을 유도하였다: $ x_{\text{qp}} < 6 \times 10^{-10} $.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 큐비트가 1ms를 초과하는 램지 공명 시간을 달성할 수 있는가, 이는 오랫동안 지속된 장벽을 돌파하는가?
• RQ2 플럭스온 큐비트에서 주요 비공명 메커니즘은 무엇이며, 비열적 입자 터널링이 붕괴의 주요 원인로 간주될 수 있는가?
• RQ3 비평형 상태의 비열적 입자 존재는 초전도 큐비트의 공명에 어떤 영향을 미치며, 그 밀도는 실험적으로 제약을 받을 수 있는가?
• RQ4 광자 보조 터널링(PAT) 또는 열적 자극 과정이 관측된 $ T_1^{02} $ 의趋세를 설명할 수 있는가?
• RQ5 재료 결함과 선 열화는 어느 정도까지 공명을 제한할 수 있으며, 이를 완화하여 공명을 밀리초 수준으로 끌어올릴 수 있는가?

주요 결과

• 램지 공명 시간 $ T_2^* $ 는 $ 1.48 \pm 0.13 \, \text{ms} $ 에 도달하여 이전 최고 기록을 한 단계 높은 수준으로 초월하였다.
• 단일 큐비트 게이트의 평균 정확도는 0.9999를 초과하여, 어떤 고체 상태 양자 시스템에서도 기록된 바 없는 최고 수준의 정확도를 달성하였다.
• 반반자리 플럭스에서 $ T_1^{01} $ 의 피크가 관측되지 않아 비열적 입자 터널링이 주요 붕괴 메커니즘이 아니라고 배제하였다.
• 반반자리 플럭스에서 $ T_1^{01} > 1 \, \text{ms} $ 를 기록함으로써 비열적 입자 밀도에 대한 상한이 유도되었으며: $ x_{\text{qp}} < 6 \times 10^{-10} $, 이는 전체 회로에 한 명의 비열적 입자 이하임을 의미한다.
• $ T_1^{02} $ 는 반반자리 플럭스 근처에서 약 1.5 ms로趋세를 보였으며, 이는 파리티 위반 붕괴 과정일 수 있음을 시사하며, 광자 보조 터널링 또는 열적 자극과 관련이 있을 수 있다.
• $ T_1^{02} $ 의趋세 및 $ T_1^{01} $ 에서 이중 지수 감쇠가 관측되지 않는 점은, 주로 유전체 손실이 붕괴 채널임을 지지하며, $ \tan\delta_C \approx (1.5 - 4.5) \times 10^{-6} $ 로 추정된다.