[논문 리뷰] Relaxation and Dephasing in a Flux-qubit

Patrice Bertet, I. Chiorescu외 5명|arXiv (Cornell University)|2004. 12. 17.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 2인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 초전도 회로에서 플럭스 큐비트가 두 가지 디코herence 억제 전략을 조합함으로써 장수명의 양자 상태를 달성할 수 있음을 보여준다. 첫째, 제어 매개변수에 대해 큐비트 주파수가 민감하지 않은 최적점(ε = 0)에서 작동하는 것, 둘째, SQUID 검출기의 특정 전류 I_b^*로 바이어스하여 큐비트를 전류 노이즈로부터 분리시키는 것. 이 분리된 최적점에서, 최대 4 μs의 스피너-이클 데éc이 측정되었으며, 이는 이전 결과에 비해 극명하게 향상된 양자 양상이다.

ABSTRACT

We report detailed measurements of the relaxation and dephasing time in a flux-qubit measured by a switching DC SQUID. We studied their dependence on the two important circuit bias parameters: the externally applied magnetic flux and the bias current through the SQUID in two samples. We demonstrate two complementary strategies to protect the qubit from these decoherence sources. One consists in biasing the qubit so that its resonance frequency is stationary with respect to the control parameters ({\it optimal point}) ; the second consists in {\it decoupling} the qubit from current noise by chosing a proper bias current through the SQUID. At the decoupled optimal point, we measured long spin-echo decay times of up to $4 μs$.

연구 동기 및 목표

• 플럭스 큐비트에서 지배적인 디코herence 메커니즘을 규명하고, 특히 감쇠 및 위상 분리(dephasing)를 정량화하는 것.
• 큐비트 주파수가 제어 매개변수에 대해 정적(stationary)인 최적점 전략이 이전에 쿼안트로니움 시스템에서 보인 것처럼 플럭스 큐비트의 위상 분리를 억제할 수 있음을 보여주는 것.
• 두 번째 전략인 SQUID 검출기의 특정 바이어스 전류 I_b^*로 설정하여 큐비트를 전류 노이즈로부터 분리시키는 전략을 제안하고 검증하는 것.
• 두 전략인 최적점과 전류 노이즈 분리 전략을 동시에 적용할 경우, 극적으로 향상된 양자 양상 시간이 달성됨을 보여주는 것.
• SQUID 검출기의 플라즈마 모드에서의 열적 변동이 순수한 위상 분리의 주요 원인임을 정량적으로 입증하는 것.

제안 방법

• 큐비트는 초전도 링 내에 3개의 조지프종 저항을 가진 플럭소늄 유형 장치로, γ_Q = π 근처에서 조정되어 이중 준위 시스템을 정의한다.
• 큐비트는 조절 가능한 바이어스 전류 I_b를 가진 DC SQUID 검출기와 유도 결합되어 있으며, 이는 효과적인 플럭스 및 전류 노이즈 결합을 제어할 수 있게 한다.
• 큐비트의 공진 주파수 f_Q는 ε = (I_p/e)(γ_Q - π)/(2π)에 따라 달라지며, 외부 플럭스 Φ_x 및 SQUID 바이어스 전류 I_b에 민감하다.
• 최적점은 ε = 0으로 정의되며, 이때 df_Q/dε = 0이 되어 플럭스 노이즈에 대한 민감도가 최소화된다.
• 분리 조건은 I_b = I_b^*로 설정함으로써 달성되며, 이때 dλ/dI_b = 0이 되어 전류 노이즈에 대한 민감도가 최소화된다.
• π/2 펄스 사이의 변동 시간을 가진 스피너-이클 시퀀스를 사용하여 T_echo를 측정하고, 이클 앰플리튜드의 감쇠를 피팅하여 T_echo 및 T_φ^echo를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플럭스 큐비트에서 지배적인 감쇠 및 위상 분리의 원인은 무엇이며, 이는 바이어스 매개변수에 어떻게 의존하는가?
• RQ2 최적점 전략(ε = 0)이 쿼안트로니움 회로에서와 마찬가지로 플럭스 큐비트의 위상 분리를 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ3 SQUID 바이어스 전류 I_b를 I_b^*로 조절함으로써 큐비트를 SQUID 검출기의 전류 노이즈로부터 분리시킬 수 있는가?
• RQ4 SQUID 플라즈마 모드의 열적 변동이 양자 양상의 제한 요소로 작용하는가?
• RQ5 최적점과 전류 노이즈 분리 전략을 동시에 적용했을 때 측정된 양자 양상 시간은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 분리된 최적점(ε = 0 및 I_b = I_b^*)에서 스피너-이클 데éc 시간 T_echo는 최대 3.9 ± 0.1 μs로 측정되었으며, 이는 이전 결과에 비해 극명한 향상이다.
• 에너지 감쇠는 측정 회로의 임피던스로의 자발적 방출에 의해 주로 결정되며, 샘플 B에서는 I_b^*에서 벗어날수록 T_1가 크게 감소함으로써 회로에 대한 결합이 있음을 시사한다.
• 최적점에서의 위상 분리는 I_b ≠ I_b^*일 경우 전류 노이즈에 의해 제한되며, 샘플 A에서 T_2의 강한 I_b 의존성이 이를 입증한다.
• 샘플 B의 순수한 위상 분리 시간 T_φ^echo는 SQUID 플라즈마 모드의 열적 변동에 의해 제한되며, 이론적 시뮬레이션은 정성적으로 일치하지만, 양자 양상 시간을 약 5배 과대평가하고 있다.
• 샘플 B에 네 번째 저항을 추가함으로써 대칭성이 향상되고, 필요한 I_b^*가 감소하여 전류 노이즈 분리 전략의 효과가 증가하였다.
• 결과는 최적점 전략과 전류 노이즈 분리 전략이 모두 효과적이며, 두 전략을 병합한 접근법이 당시 플럭스 큐비트에서 관측된 가장 긴 양자 양상 시간을 제공함을 확인한다.