[논문 리뷰] Protecting superconducting qubits from external sources of loss and heat

Antonio Córcoles, Jerry M. Chow외 7명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 05.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 17인용 수 62

한 줄 요약

이 연구는 초전도 큐비트를 흡수성 에폭시 매질에 임bedding함으로써 내부 복사로 인한 준입자 생성을 억제함으로써 환경 손실을 크게 감소시켜 큐비트의 붕괴 시간을 10배 향상시키고(최대 5.7 μs), 효과적인 큐비트 온도를 크게 낮추는 것을 보여준다. 이는 냉각 장치에서 외부 전자기 복사가 디코herence의 주요 원인임을 드러낸다.

ABSTRACT

We characterize a superconducting qubit before and after embedding it along with its package in an absorptive medium. We observe a drastic improvement in the effective qubit temperature and over a tenfold improvement in the relaxation time up to 5.7 $μ$s. Our results suggest the presence of external radiation inside the cryogenic apparatus can be a limiting factor for both qubit initialization and coherence. We infer from simple calculations that relaxation is not limited by thermal photons in the sample prior to embedding, but by dissipation arising from quasiparticle generation.

연구 동기 및 목표

• 냉각 환경 내 초전도 큐비트에서의 외재적 디코herence 원인을 규명하고 이를 완화하는 것.
• 외부 전자기 복사 및 블랙바디 복사가 큐비트 붕괴 및 열적 자극에 상당한 기여를 하는지 여부를 확인하는 것.
• 흡수성 물질로 된 차폐를 통해 외부 환경 기여를 제거함으로써 내재적 손실 메커니즘을 분리하는 것.
• 고주파 복사에서 발생하는 준입자 생성이 큐비트의 공명성과 붕괴 시간에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 손실성 흡수 물질에 큐비트 패키지를 임bedding함으로써 실용적인 큐비트 공명성 향상 방법을 보여주는 것.

제안 방법

• 동일한 용량으로 쇄도된 플럭스 큐비트(CSFQ)를 두 가지 구성으로 특성화함: 먼저 표준 냉각 장치에서 차폐 없이, 그 다음 전체 PCB 패키지를 손실성 흡수 물질인 eccosorb 에폭시에 임bedding한 후.
• 임bedding 이전과 이후에 큐비트 붕괴 시간(T1)과 스펙트로스코피를 측정하여 공명성과 열적 분포를 비교함.
• T2를 측정하기 위해 스피너-에코 실험을 수행하여 공명성 향상 여부를 확인함.
• 플럭스 노이즈에 대한 민감도를 최소화하고 환경 영향를 분리하기 위해 큐비트를 '좋은 점'(반정수 플럭스 양자)에서 작동시킴.
• 임bedding된 샘플에 대해 온도 의존 측정을 수행하여 임bedding 이전 조건을 모의하고 준입자 기여도를 평가함.
• 관측된 T1 열화와 복구 현상을 해석하기 위해 준입자 유도 붕괴의 이론적 모델링을 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 냉각 장치 내 초전도 큐비트에서 지배적인 외재적 디코herence 원인은 무엇인가?
• RQ2 큐비트 패키지를 흡수성 매질에 임bedding하면 붕괴 시간과 효과적 온도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고주파 전자기 복사 및 블랙바디 복사가 준입자 생성과 큐비트 디코herence에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 임bedding 후 관측된 T1 향상은 외부 복사로 인한 준입자 생성 감소 때문인가?
• RQ5 유전체 및 저항 손실은 큐비트 붕괴에 어떤 역할을 하는가? 그리고 이들은 환경 기여와 분리될 수 있는가?

주요 결과

• eccosorb 에폭시에 큐비트 패키지를 임bedding함으로써 붕괴 시간이 10배 증가하여 513 ns 에서 5.7 μs로 향상됨.
• 임bedding 이후 큐비트 스펙트로스코피에서 자극 상태의 열적 분포가 관찰되지 않아 효과적 온도가 크게 감소한 것으로 나타남.
• 효과적 열 baths 온도는 약 1.3 K로 추정되며, 이는 여전히 차폐된 온도인 800 mK보다 훨씬 낮아 복사 유도 준입자가 주요 손실 원인임을 시사함.
• 175 mK에서 임bedding된 큐비트는 T1 ≈ 700 ns를 보이며 다중 전이를 보이는 스펙트럼을 나타내어 임bedding 이전의 행동과 일치함. 이는 준입자 생성이 주요 손실 메커니즘이었음을 확인함.
• 임bedding 이전의 관측된 T1 열화 현상은 5 GHz에서 직접적인 블랙바디 자극과 일치하지 않음. 필요한 효과적 온도(1.3 K)가 물리적 열 baths 온도를 초과함.
• 결과적으로 고주파 복사(80 GHz 이상)로 인한 준입자 생성은 초전도 큐비트에서의 주요 디코herence 원인임을 시사하며, 알루미늄의 초전도 갭(Δ ~ 200 μeV)을 초과하는 에너지를 가진 복사가 이에 기여함.