[논문 리뷰] Systematic Improvements in Transmon Qubit Coherence Enabled by Niobium Surface Encapsulation

Mustafa Bal, Akshay A. Murthy외 38명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 26.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 36인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 슈퍼콘덕터 트랜스몬 큐비트에서 손실성 니오븀 산화물의 형성을 방지하기 위해 탄탈럼, 알루미늄, 타이타늄 카바이드, 또는 금 캡핑 레이어를 사용한 니오븀 표면 봉입 기술을 제시한다. 니오븀 표면을 피복함으로써, 기준 장치 대비 T₁ 감쇠 시간이 2–5배 길어지며, 중앙값은 300 μs를 초과하고 최대값은 600 μs에 이르며, 사파이어 및 실리콘 기판에 제작된 슈퍼콘덕터 큐비트 중에서 가장 높은 수준의 기록을 달성한다.

ABSTRACT

We present a novel transmon qubit fabrication technique that yields systematic improvements in T$_1$ relaxation times. We fabricate devices using an encapsulation strategy that involves passivating the surface of niobium and thereby preventing the formation of its lossy surface oxide. By maintaining the same superconducting metal and only varying the surface structure, this comparative investigation examining different capping materials, such as tantalum, aluminum, titanium nitride, and gold, and film substrates across different qubit foundries definitively demonstrates the detrimental impact that niobium oxides have on the coherence times of superconducting qubits, compared to native oxides of tantalum, aluminum or titanium nitride. Our surface-encapsulated niobium qubit devices exhibit T$_1$ relaxation times 2 to 5 times longer than baseline niobium qubit devices with native niobium oxides. When capping niobium with tantalum, we obtain median qubit lifetimes above 300 microseconds, with maximum values up to 600 microseconds, that represent the highest lifetimes to date for superconducting qubits prepared on both sapphire and silicon. Our comparative structural and chemical analysis suggests why amorphous niobium oxides may induce higher losses compared to other amorphous oxides. These results are in line with high-accuracy measurements of the niobium oxide loss tangent obtained with ultra-high Q superconducting radiofrequency (SRF) cavities. This new surface encapsulation strategy enables even further reduction of dielectric losses via passivation with ambient-stable materials, while preserving fabrication and scalable manufacturability thanks to the compatibility with silicon processes.

연구 동기 및 목표

• 손실성 니오븀 표면 산화물로 인한 슈퍼콘덕터 트랜스몬 큐비트의 짧은 큐비트 공명 시간이라는 지속적인 제약을 해결하기 위해.
• 동일한 니오븀 기초 재료를 유지하면서, 탄탈럼, 알루미늄, 타이타늄 카바이드, 금 등의 다양한 캡핑 재료가 큐비트 T₁ 감쇠 시간에 미치는 영향을 체계적으로 평가하기 위해.
• 니오븀 표면을 피복하여 대기 중 산화를 방지하고 유전 손실을 감소시키는 확장 가능한 실리콘 친화성 공정을 수립하기 위해.
• 니오븀 산화물이 다른 산화물보다 더 높은 두 수준 상태(TLS) 밀도와 에너지 손실을 유발하는 이유를 명확한 실험적 증거로 제시하기 위해.
• 공기 노출 이전에 대기 안정성 있는 캡핑 레이어를 통해 유전 손실을 추가로 억제함으로써, 향후 양자 컴퓨팅 및 슈퍼콘덕터 장치의 발전을 지원하기 위해.

제안 방법

• 니오븀을 초전도체 재료로 사용하여 트랜스몬 큐비트를 제작하고, 탄탈럼, 알루미늄, 타이타늄 카바이드, 또는 금 캡핑 레이어를 원자층 증착 또는 증착을 통해 표면 봉입하였다.
• 고정도로 니오븀 산화물의 손실 탄성률을 측정하기 위해 초고품질 Q의 슈퍼콘덕터 라디오파워(SRF) 공진기 구조를 활용하여, 그 내재적 손실성을 검증하였다.
• 깊이에 민감한 X선 광전자 분광법(XPS)과 전자 에너지 손실 분광법(EELS)을 사용하여 금속/산화물 인터페이스에서 산화 상태와 산소 스토이히오메트리의 분석을 수행하였다.
• 투과전자현미경(TEM)과 역동적 산란 이론를 적용한 X선 반사도 측정을 통해 산화물 두께와 구조를 규명하였으며, 캡핑되지 않은 니오븀에서는 Nb₂O₅ 4.1 nm와 NbO 0.5 nm가 존재하는 반면, 탄탈럼 캡핑된 니오븀에서는 스토이히오메트릭 탄탈럼 산화물 Ta₂O₅ 5.9 nm가 형성됨을 확인하였다.
• 다양한 큐비트 제조 공장과 기판(사파이어 및 실리콘)을 대상으로 T₁ 감쇠 시간을 비교 측정하여 재현성과 확장 가능성을 확보하였다.
• 구조적 및 화학적 데이터를 큐비트 성능과 연관지켜, 니오븀 산화물에서 산소 농도 변화와 반자성 모멘트가 플럭스 노이즈와 에너지 손실의 원인임을 규명하였다.

Figure 1: (a) 8 qubit chip layout consisting of 3 different geometries. (b) Low magnification annular dark field scanning transmission electron microscopy (ADF-STEM) image taken from a cross-section of a Nb transmon qubit where the Nb film is capped with a Ta metal layer. (c) Cryogenic wiring diagra

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본 니오븀이 동일할 경우, 탄탈럼, 알루미늄, 타이타늄 카바이드, 금 등의 다양한 캡핑 재료가 니오븀 기반 트랜스몬 큐비트의 T₁ 감쇠 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 니오븀 큐비트 표면에 형성된 비정질 니오븀 산화물이, 탄탈럼 또는 알루미늄 등의 다른 금속의 천연 산화물에 비해 큐비트 공명 시간을 얼마나 악화시키는가?
• RQ3 제조 공정 중 니오븀의 대기 산화를 방지하는 표면 봉입 전략이 실리콘 기반 공정과도 호환되면서 큐비트 공명 시간을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 다른 비정질 산화물(예: Ta₂O₅ 또는 Al₂O₃)에 비해 니오븀 산화물에서 더 높은 유전 손실이 발생하는 구조적 및 화학적 기원은 무엇인가?
• RQ5 스토이히오메트릭 탄탈럼 산화물 Ta₂O₅ 캡핑 레이어가 비스토이히오메트릭이고 변가성의 니오븀 산화물보다 두 수준 상태(TLS) 밀도나 반자성 모멘트를 낮추는가?

주요 결과

• 탄탈럼 캡핑된 니오븀 큐비트는 중앙값 T₁ 감쇠 시간이 300 μs를 초과하며, 최대값은 600 μs에 이르며, 사파이어 및 실리콘 기판에 제작된 슈퍼콘덕터 큐비트 중에서 보고된 바 가장 높은 수명을 기록한다.
• 기준 니오븀 큐비트의 천연 니오븀 산화물 표면을 가진 장치 대비, 탄탈럼 캡핑된 니오븀 큐비트의 T₁ 시간은 2배에서 5배 길어졌으며, 다양한 제조 시설에서 일관된 향상이 관찰되었다.
• XPS 및 EELS 분석을 통해 탄탈럼 캡핑 표면은 스토이히오메트릭 5.9 nm의 Ta₂O₅ 레이어로 구성된 것으로 확인되었고, 반면 천연 니오븀 산화물은 Nb₂O₅ 4.1 nm와 비스토이히오메트릭 NbO 0.5 nm로 구성되어 있어 산소 비스토이히오메트리의 비균형이 손실 증가와 직접적인 연관이 있음을 시사한다.
• 본 연구는 니오븀 산화물이 Ta₂O₅, Al₂O₃, 또는 TiN 등의 다른 산화물보다 더 높은 두 수준 상태(TLS) 밀도와 더 큰 유전 손실을 가지며, 이는 산소 농도 변화와 반자성 모멘트 때문임을 명확한 실험적 증거로 제시하였다.
• 봉입 공정은 표준 실리콘 기반 제조 공정과 호환되어, 고공명성 슈퍼콘덕터 큐비트의 확장 가능한 산업 수준 생산이 가능하다.
• 초고품질 SRF 공진기 측정을 통해 니오븀 산화물의 높은 손실 탄성률이 확인되었으며, 이는 니오븀 표면 산화물의 내재적 손실성과 봉입된 장치에서 관찰된 공명 시간 향상 결과를 뒷받침한다.

Figure 2: Structural and chemical characterization of transmon qubit. (a-d) Chemical phase maps generated through STEM energy dispersive spectroscopy of the Nb films capped with Ta, Al, TiN, and Au, respectively. The Ta, Al, and Au capping layers are roughly 10 nm thick and the TiN layer is roughly