[논문 리뷰] Spurious Antenna Modes of the Transmon Qubit

O. Rafferty, S. Patel외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 11.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 23인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전자기 모델링과 바이비네이트의 원리를 활용하여, 전자기파가 10–100 GHz 범위에서 쿼드립티클 빔을 통해 쿼라스피어티클 오염을 유도하는 주요 원인으로서 트랜스몬 큐비트의 유사한 안테나 모드를 규명한다. 일반적인 큐비트 기하구조는 효율적인 공진 수신체로 작용하며, 복사 손실은 자유공간에서 약 1.5 ms, 고유상수성 기판에서는 약 17 μs의 큐비트 $T_1$ 에 대한 기본 한계를 만든다.

ABSTRACT

Superconducting qubits are resonant absorbers of pair-breaking radiation. The metal pads that form the qubit capacitance support standing wave modes at frequencies of order 100~GHz; these modes are strongly coupled to free-space impedance through their electric dipole moment. While the antenna mode of the 3D transmon qubit is easily seen to be a resonant dipole, other 2D qubit types can be understood as the aperture duals of wire loop antennas or folded dipoles. For typical Josephson junction parameters, the junction provides a reasonable conjugate match to the fundamental antenna mode. We calculate the contribution to quasiparticle poisoning from resonant absorption of blackbody radiation. We extend our analysis to dissipation at the qubit frequency, where radiative losses provide an ultimate limit to qubit energy relaxation time. A clear understanding of the spurious antenna modes of qubits will allow designs that are insensitive to pair-breaking radiation and that display reduced radiative losses at the qubit frequency.

연구 동기 및 목표

• 10–100 GHz 범위에서의 쌍파괴 복사선 공진 흡수를 가능하게 하는 트랜스몬 큐비트 내의 비정상적 안테나 모드를 규명하고 특성화하는 것.
• 이러한 모드가 초전도 큐비트에서 디코herence의 주요 원인인 쿼라스피어티클 오염에 기여하는 방식을 이해하는 것.
• 큐비트 주파수에서 전자기 복사에 대한 결합으로 인한 큐비트 에너지 완화 시간($T_1$)의 복사 손실 한계를 정량화하는 것.
• 기타 큐비트 유형으로의 분석 확장 및 양자 센싱 및 어두운 물질 탐지 등 응용 분야 탐색

제안 방법

• 2차원 평면 큐비트 기하구조를 이중선 안테나 구조로 매핑하기 위해 바이비네이트의 원리를 적용하여 복사 모드 분석을 가능하게 한다.
• 수치적 및 분석적 모델을 사용하여 원형, 직사각형, Xmon, 차등형, 3D 트랜스몬 기하구조 포함 큐비트 구조의 복사 저항 및 임피던스를 계산한다.
• 구멍 안테나의 경우 공식 $\mathrm{Re}[Z_w] \approx \frac{8}{3}\pi^5 \epsilon_{\mathrm{eff}}^{1/2} \eta \left(\frac{r_i}{\lambda}\right)^4 \left(1 + 2.1 \frac{w}{r_i}\right)$ 를 사용해 효과적 복사 저항을 유도한다.
• 특정 큐비트 설계의 결합 효율성과 노이즈 대역폭을 평가하며, 기판 유전율이 $T_1$ 에 미치는 영향도 분석한다.
• 큐비트를 전자기적으로 소형 안테나로 모델링하여 복사 한계에 의한 $T_1$ 의 스케일링을 계산하며, 이는 $\epsilon_{\mathrm{eff}}^{-5/2}$ 비례로 나타난다.
• 흑체 복사에서 발생하는 쿼라스피어티클 생성을 고려하고, 토폴로지 큐비트 및 마이크로파 운동 인덕턴스 검출기 등에 대한 함의를 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 트랜스몬 큐비트 내 비정상적 안테나 모드는 큐비트 작동 대역보다 훨씬 높은 주파수에서 어떻게 쌍파괴 복사선을 공진 흡수할 수 있는가?
• RQ2 이러한 안테나 모드는 초전도 큐비트에서 쿼라스피어티클 오염에 어떤 기여를 하는가?
• RQ3 큐비트 주파수에서 복사 손실로 인해 큐비트 $T_1$ 에 어떤 기본 한계가 존재하는가?
• RQ4 기판의 효과적 유전율은 $T_1$ 의 복사 손실 한계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 쌍파괴 광자에 대한 안테나 결합을 암흑 물질 탐지 또는 정밀 분광법과 같은 양자 센싱 응용에 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 트랜스몬 큐비트의 금속 패드에 의해 지지되는 비정상적 안테나 모드로 인해 10–100 GHz 범위에서 쌍파괴 복사선을 공진 수신체로 작용한다.
• 일반적인 파rameter 조건에서 조이오즈 전류소자는 기본 안테나 모드의 복사 임피던스에 합리적인 공액 매칭을 제공한다.
• 자유공간($\epsilon_{\mathrm{eff}} = 1$)에서 큐비트 $T_1$ 의 복사 한계는 1.5 ms이며, 고유전율 기판($\epsilon_{\mathrm{eff}} = 6$)에서는 17 μs이다.
• 복사 손실은 $\epsilon_{\mathrm{eff}}^{-5/2}$ 비례로 스케일링되며, 이는 기판 두께와 유전율이 $T_1$ 에 강력한 영향을 미친다는 것을 시사한다.
• 차등형 트랜스몬 설계는 자계 4극자 대칭으로 인해 복사 손실이 억제되지만, 대칭 파괴는 주로 자계 이중극자 손실을 유도한다.
• 3D 트랜스몬은 캐비티에 봉인되지 않은 한 복사 손실에 매우 민감하며, 밀도 상태의 푸르셀 억제를 제공하는 캐비티가 필요하다.