[논문 리뷰] Quasiparticle trapping by orbital effect in a hybrid superconducting-semiconducting circuit

Willemijn Uilhoorn, James Kroll외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 23.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 고자기장(최대 1 T)에서 게이트 조절 가능한 비례 갭과 궤도 효과를 이용한 퀀텀 페어링(QP) 트랩을 통해 하이브리드 초전도체-반도체 회로에서의 QP 독성 문제를 완화시킬 수 있음을 보여준다. 인간산 나노와이어 트랜스몬 큐비트를 사용하여, 저항성 양자 상태 수명이 50 μs를 초과하는 결과를 도출하였으며, 비가동된 나노와이어 세그먼트에서 궤도 효과에 의해 갭이 억제되는 특성 덕분에 280 mT의 홀수배에서 수명 향상이 관찰되어 조지프슨 접합부에서 멀리 떨어진 곳에서 강력한 QP 트랩이 가능함을 입증한다.

ABSTRACT

The tunneling of quasiparticles (QPs) across Josephson junctions (JJs) detrimentally affects the coherence of superconducting and charge-parity qubits, and is shown to occur more frequently in magnetic fields. Here we demonstrate the parity lifetime to survive in excess of 50$\,\mathrmμ$s in magnetic fields up to 1$\,$T, utilising a semiconducting nanowire transmon to detect QP tunneling in real time. We exploit gate-tunable QP filters and find magnetic-field-enhanced parity lifetimes, consistent with increased QP trapping by the ungated nanowire due to orbital effects. Our findings highlight the importance of QP trap engineering for building magnetic-field compatible hybrid superconducting circuits.

연구 동기 및 목표

• 고자기장(최대 1 T)에서 하이브리드 초전도체-반도체 회로의 퀀텀 페어링 독성(QPP) 동역학을 조사함으로써, 톱올로지컬 양자 컴퓨팅과의 관련성을 확보한다.
• 특히 자기장 조건에서 비평형 상태의 퀀텀 페어링이 초전도 큐비트 및 전하-짝성 큐비트의 위상 일관성에 악영향을 미치는 문제를 해결한다.
• 조지프슨 접합의 민감한 영역에서 멀리 떨어진 곳에 퀀텀 페어링을 트랩하는 실시간, 게이트 조절 가능한 QP 필터를 개발한다.
• 비가동된 나노와이어 세그먼트에서 궤도 효과가 비례 유도 갭을 어떻게 억제하는지 조사하여 QP 트랩 효율을 향상시키는 데 기여한다.
• 오프셋-전하 민감도가 있는 트랜스몬 아키텍처를 사용하여, 자기장 최대 1 T에서 실시간으로 QP 터널링과 양자 상태 전환을 감지함을 입증한다.

제안 방법

• 조지프슨 접합부에 알루미늄/인간산 나노와이어를 사용하고, 게이트 조절 가능한 초전도 갭을 통해 접합부 양쪽에 전기적으로 제어 가능한 QP 필터를 형성한다.
• 실시간 양자 상태 전환 사건을 감지하기 위해 오프셋-전하 민감도(Offset-charge-sensitive, OCS) 트랜스몬 큐비트를 사용하여 QP 터널링의 직접적 탐지 수 Mittel을 제공한다.
• 나노와이어에 평행한 자기장(B∥)을 적용하여, 비가동 세그먼트에서 비례 갭을 억제하는 궤도 효과를 유도하고 QP 트랩을 형성한다.
• 게이트 전압(Vg)을 변화시켜 퀀텀 페어링의 에너지 잠재력 장을 제어함으로써, Vg ≥ 0일 경우 접합부에서 QP 트랩을 형성하고, Vg < 0일 경우 접합부에서 멀리 떨어진 곳에서 QP 필터링을 수행하도록 전환한다.
• B∥ 및 Vg에 따른 전하-짝성 수명(T̄P)을 측정하여 궤도 효과에 의한 갭 억제로 인한 자기장 의존적 수명 향상을 규명한다.
• 수직 자기장(B⊥)을 적용하여 NbTiN 접합부에서 비틀림에 의한 QP 트랩을 탐색하였으며, B⊥ > 10 mT일 경우 T̄P가 급격히 증가하는 현상을 관찰하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고자기장(최대 1 T)에서 하이브리드 초전도체-반도체 회로에서 퀀텀 페어링 독성은 어떻게 진화하는가?
• RQ2 자기장 조건 하에서 게이트 조절 가능한 QP 필터가 조지프슨 접합부에서 멀리 떨어진 곳에 퀀텀 페어링을 효과적으로 트랩할 수 있는가?
• RQ3 비가동된 나노와이어 세그먼트에서 궤도 효과가 비례 유도 갭을 어느 정도 억제하고 QP 트랩 효율을 향상시키는가?
• RQ4 자기장 방향(수평 대 수직)이 퀀텀 페어링 동역학과 양자 상태 수명에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 반도체 기반 트랜스몬 아키텍처를 사용하여 강력한 자기장 조건에서 실시간 양자 상태 전환 감지를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 1 T 이하의 자기장에서도 50 μs를 초과하는 양자 상태 수명을 달성하여, 퀀텀 페어링 독성에 대한 강건성을 입증하였다.
• B∥에서 280 mT의 홀수배에서 수명 향상 현상이 관찰되었으며, 이는 비가동된 나노와이어 세그먼트에서 궤도 효과에 의한 비례 갭 억제로 기인한다.
• 피크 위치에서 유도된 효과적인 나노와이어 지름은 69 nm였으며, 이는 95 ± 5 nm 지름의 인간산 나노와이어에 13 nm 두께의 표면 축적층이 존재하는 것과 일치한다.
• Vg < 0일 경우, 게이트된 리드부에 QP 필터가 형성되어 QP가 접합부에 도달하는 것을 차단하고 T̄P를 향상시킨다; 반면 Vg ≥ 0일 경우 접합부 근처에서 갭 억제가 강화되어 QP 터널링이 증가하고 T̄P가 감소한다.
• 수직 자기장(B⊥ > 10 mT)은 T̄P를 급격히 증가시켰으며, 이는 NbTiN 접합부 내의 비틀림 핵에서 QP 트랩이 발생했기 때문으로 보이며, 공진기 대역폭 증가로 확인되었다.
• 전기적 게이팅과 자기장 조절을 조합함으로써, 리드부의 최소 퀀텀 페어링 자극 에너지를 실시간으로 제어할 수 있으며, 이는 톱올로지컬 및 초전도 큐비트에서 QP 독성을 억제하는 실현 가능한 전략을 제공한다.