[논문 리뷰] Origin and Suppression of $1/f$ Magnetic Flux Noise

Pradeep Kumar, S. Sendelbach외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 04.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 40

한 줄 요약

이 연구는 초전도 큐비트에서 $1/f$ 자기 플럭스 노이즈의 주요 원인으로 흡착된 분자 산소 분자(O₂)를 규명한다. 진공 조건을 향상시키고 표면 피막을 형성함으로써 저자들은 정적 스핀 감도를 10배 이상 감소시키고, $1/f$ 플럭스 노이즈 전력 스펙트럼 밀도를 최대 5.1배까지 감소시켰으며, 이는 큐비트의 공명 시간을 연장시켰다.

ABSTRACT

Magnetic flux noise is a dominant source of dephasing and energy relaxation in superconducting qubits. The noise power spectral density varies with frequency as $1/f^α$ with $α\sim 1$ and spans 13 orders of magnitude. Recent work indicates that the noise is from unpaired magnetic defects on the surfaces of the superconducting devices. Here, we demonstrate that adsorbed molecular O$_2$ is the dominant contributor to magnetism in superconducting thin films. We show that this magnetism can be suppressed by appropriate surface treatment or improvement in the sample vacuum environment. We observe a suppression of static spin susceptibility by more than an order of magnitude and a suppression of $1/f$ magnetic flux noise power spectral density by more than a factor of 5. These advances open the door to realization of superconducting qubits with improved quantum coherence.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트에서 $1/f$ 자기 플럭스 노이즈의 미세 구조적 기원을 규명함으로써 양자 공명의 주요 장벽을 해결하고자 한다.
• 장치 표면에 흡착된 분자 산소(O₂)가 표면 자성과 플럭스 노이즈의 주요 원인인지 확인하고자 한다.
• 자기 결함을 억제하고 노이즈를 감소시키기 위한 표면 처리 기술과 진공 조건 향상 기법을 개발하고 실험적으로 검증하고자 한다.
• 실험 장치에서 스핀 감도와 $1/f$ 노이즈 전력 스펙트럼 밀도의 측정 가능한 감소를 입증하고자 한다.

제안 방법

• 알루미늄(Al) 및 niobium(Nb) 박막의 원소 상태와 자성 상태를 분석하기 위해 애드밴스드 포톤 속(Advanced Photon Source)에서 X선 자기원형분광법(XMCD)과 X선 흡수 분광법(XAS)을 수행하였다.
• O₂가 Al₂O₃ 표면에 흡착되는 것을 모델링하고 스핀 동역학 및 노이즈 행동을 예측하기 위해 DFT 및 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였다.
• 표면 처리 및 진공 조건 향상 이전과 이후의 Nb SQUIDs에서 표면 스핀 감도를 특성화하였다.
• Si₃N₄ 및 SiO₂ 캡슐화된 알루미늄 기반 큐비트에서 표면 처리 이전과 이후의 $1/f$ 자기 플럭스 노이즈 전력 스펙트럼 밀도를 측정하였다.
• 흡착체에 의한 자성을 감소시키기 위해 진공 조건 하에서 표면 피막 처리 및 자외선 조사(UV irradiation)를 적용하였다.
• 여러 장치 간의 노이즈 수준을 비교하고 열 사이클 동안의 안정성을 추적하여 재현성과 내구성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 흡착된 분자 산소(O₂)가 초전도 큐비트에서 $1/f$ 플럭스 노이즈의 원인인 비결합 자성 결함의 주요 원인인가?
• RQ2 표면 피막 처리와 향상된 진공 조건이 표면 스핀 감도와 $1/f$ 노이즈 전력 스펙트럼 밀도를 상당히 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 정적 스핀 감도와 표면 자성 결함 농도의 변화와 노이즈 감소 수준 간의 상관관계는 어떠한가?
• RQ4 유사한 처리 절차를 적용했음에도 불구하고 Nb SQUIDs에서의 노이즈 감소가 Al 기반 장치보다 더 큰 이유는 무엇인가?
• RQ5 표면의 무질서와 분자 간 스핀-스핀 상호작용은 $1/f$ 노이즈 생성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• XMCD 및 XAS 측정 결과 공기 노출 후 산소 K-edge에서 명확한 자기 신호를 관찰함으로써, 흡착된 분자 산소(O₂)가 초전도 박막에서 표면 자성의 주요 원인임을 확인하였다.
• 표면 피막 처리와 향상된 진공 조건으로 인해 Nb SQUIDs에서 정적 스핀 감도가 10배 이상 감소하였다.
• Si₃N₄ 캡슐화된 알루미늄 장치에서는 평균적으로 $1/f$ 플럭스 노이즈 전력 스펙트럼 밀도가 2.8배 감소하였고, 최고의 경우 5.1배 감소하였으며, 기기의 비율에 따라 스케일링한 결과로는 기록된 바 가장 낮은 값이 기록되었다.
• 노이즈 수준이 열 사이클 동안 안정되어 있었으며, 이는 노이즈가 일시적 또는 열적으로 활성화된 과정이 아닌 고정된 표면 결함에 의해 지배된다는 것을 시사한다.
• 진공 조건 하에서 자외선 조사로 SiO₂ 캡슐화된 장치에서는 노이즈 감소 효과가 나타나지 않았는데, 이는 결합 파손과 추가 산소 방출로 인한 것으로 보이며, 산화물의 무결성이 핵심임을 시사한다.
• Nb SQUIDs에서 스핀 감도 감소가 더 크고 Al 기반 장치에서는 노이즈 감소가 더 작은 데에는 표면의 무질서와 분자 간 상호작용이 노이즈 동역학에 상당한 영향을 미친다는 점이 반영되어 있다.