[논문 리뷰] Stability of superconducting resonators: motional narrowing and the role of Landau-Zener driving of two-level defects

David Niepce, Jonathan Burnett외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 16.

Superconducting and THz Device Technology참고 문헌 76인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 초전도성 공진기에서 두 상태 체계(TLS) 결함으로 인한 주파수 불안정성에 대해 다루며, 공진기의 마이크로파 필드에 의해 TLS가 공명적으로 자극됨으로써 발생하는 운동적 좁힘(motional narrowing)이 고출력에서 주파수 잡음의 감소를 초래함을 보여준다. 주요 TLS 변동 요인의 전환 속도는 준고전적 Landau-Zener 전이 이론과 일치하는 비율 승수 법칙에 따르며, 기하학적 구조와 재료가 다른 NbN 나노와이어, 알루미늄 공면, 알루미늄 3D 공진기에서 모두 일반적인 역학을 보임을 밝혀낸다.

ABSTRACT

Frequency instability of superconducting resonators and qubits leads to dephasing and time-varying energy-loss and hinders quantum-processor tune-up. Its main source is dielectric noise originating in surface oxides. Thorough noise studies are needed in order to develop a comprehensive understanding and mitigation strategy of these fluctuations. Here we use a frequency-locked loop to track the resonant-frequency jitter of three different resonator types---one niobium-nitride superinductor, one aluminium coplanar waveguide, and one aluminium cavity---and we observe strikingly similar random-telegraph-signal fluctuations. At low microwave drive power, the resonators exhibit multiple, unstable frequency positions, which for increasing power coalesce into one frequency due to motional narrowing caused by sympathetic driving of individual two-level-system defects by the resonator. In all three devices we probe a dominant fluctuator, finding that its amplitude saturates with increasing drive power, but its characteristic switching rate follows the power-law dependence of quasiclassical Landau-Zener transitions.

연구 동기 및 목표

• 양자 프로세서 校정의 핵심 과제인 초전도성 공진기에서의 주파수 불안정성의 기원을 이해하기 위해.
• 다양한 공진기 유형에서 두 상태 체계(TLS)의 유전체 노이즈가 주파수 잡음의 주요 기여자인지 확인하기 위해.
• 공진기의 마이크로파 자극이 운동적 좁힘에 의해 TLS 유도 변동을 억제하는 역할을 하는지 조사하기 위해.
• TLS 전환 속도의 출력 전력 의존성을 정량화하고, 다양한 초전도성 장치에서 Landau-Zener 이론과의 일관성을 테스트하기 위해.

제안 방법

• 100 Hz의 샘플링 주파수로 2.75시간 동안 공진 주파수의 잡음 변동을 측정하기 위해 주파수 잠금 루프를 사용하였다.
• 시간적 변동 분석을 위해 Welch의 전력 스펙트럼 밀도와 겹치는 Allan 변동을 적용하였다.
• 공진기의 마이크로파 드라이브 전력(⟨n⟩: 약 3×10⁻²에서 약 715 광자)을 변화시키며 주파수 잡음 히스토그램을 작성하여 운동적 좁힘 현상을 관찰하였다.
• 공통 모델을 사용해 RTS 노이즈 특징을 피팅하여 전환 속도를 추출하고 비율 승수 법칙의 스케일링을 비교하였다.
• 준고전적 Landau-Zener 이론을 적용하여 TLS 전환 속도의 비율 승수 법칙 의존성을 해석하였다.
• 세 가지 다른 공진기 유형을 비교하였다: NbN 나노와이어(Tc=7.2 K), 알루미늄 공면 파동도체(Tc=1.05 K), 알루미늄 3D 캐비티(Tc=1.18 K), 모두 10 mK에서 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 초전도성 공진기에서 공진기 자극에 의해 유도되는 운동적 좁힘이 개별 TLS 결함으로 인한 주파수 잡음의 억제를 유도하는가?
• RQ2 다양한 공진기 유형에서 주요 TLS 변동 요인의 전환 속도가 마이크로파 자극 하에서 준고전적 Landau-Zener 전이와 일치하는가?
• RQ3 다양한 공진기 기하학적 구조와 재료에서 마이크로파 드라이브 전력의 크기와 TLS 유도 주파수 잡음의 전환 속도는 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 표면 산화물에서 기인하는 유전체 노이즈 기여가 초전도성 공진기에서의 주파수 불안정성의 주요 원인인가?
• RQ5 극명하게 다른 운동 인덕턴스, 전기장 분포 및 품질 인자(Qi)를 가진 공진기들 간에도 TLS 전환 속도의 일반적인 비율 승수 법칙 의존성이 관찰되는가?

주요 결과

• 낮은 마이크로파 드라이브 전력에서는 개별 TLS 결함으로 인한 무작위 전보 신호(RTS) 변동으로 인해 공진기가 다수의 이산 주파수 위치를 나타낸다.
• 드라이브 전력 증가에 따라 주파수 잡음이 감소하고, 다수의 주파수 상태가 운동적 좁힘으로 인해 하나의 피크로 통합된다.
• 주파수 변동의 진폭은 전력 증가에 따라 포화되며, 이는 주요 TLS의 최대 기여를 나타낸다.
• 주요 TLS의 전환 속도는 준고전적 Landau-Zener 전이 이론과 일치하는 비율 승수 법칙 의존성을 보이며, 모든 세 가지 공진기 유형에서 스케일링 지수 약 0.5–0.8을 보인다.
• 기하학적 구조, 재료, 내부 품질 인자(Qi)의 차이에도 불구하고, NbN 나노와이어, 알루미늄 공면, 알루미늄 3D 캐비티 공진기 간에 TLS 전환 속도의 비율 승수 법칙 스케일링이 놀랄 만큼 일관되게 유지된다.
• Allan 변동과 전력 스펙트럼 밀도 분석을 통해 장치 간 공통된 노이즈 특징을 확인하였으며, 드라이브 전력 증가에 따라 주요 RTS 특징이 고주파수 영역(짧은 시간 스케일)으로 이동하는 것으로 나타났다.