[論文レビュー] Defying the fine structure constant: single Cooper pair circuit free of charge offsets

Vladimir Manucharyan, Jens Koch+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2009

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、ジョセフソン運動エネルギーレンジインダクタンスを活用して、頑健な電磁的環境を形成する大容量トンネル接合の直列アレイに基づく超伝導人工原子の提案を行う。従来のインダクタを接合からの内在的インダクタンスに置き換えることで、オフセット電荷に対して完全に感受性がなく、微細構造定数が課す根本的制限を克服した単一コープアー対効果を実現する。

ABSTRACT

The promise of single Cooper pair quantum circuits based on tunnel junctions for metrology and quantum information applications is severely limited by the influence of “offset ” charges – random, slowly drifting microscopic charges inherent to many solid-state systems. A remedy is to shunt the junction with a sufficiently large inductance. However, the small value of the fine structure constant imposes a fundamental incompatibility between shunting with a wirewound inductor and providing correct electromagnetic environment for single Cooper pair effects. By employing the Josephson kinetic inductance of a series array of large capacitance tunnel junctions, we have solved this conundrum and realized a new superconducting artificial atom. Its energy spectrum manifests the anharmonicity associated with single Cooper pair effects combined with total insensitivity to offset charges. Quantum electrodynamics, the theory of interacting quanta of charge and quanta of electromagnetic radiation, imposes a fundamental asymmetry between electric charge and magnetic flux, expressed by the small value of the fine structure constant α = e2

研究の動機と目的

• 単一コープアー対回路におけるオフセット電荷ノイズの根本的課題を克服し、コherenCeと計測精度の低下を防ぐ。
• 大容量シャントインダクタンスと単一コープアー対効果に必要な電磁的環境との不適合性を解消する。
• 内在的電荷感度なしを実現しつつ、単一コープアー対トンネルによる強い非調和性を維持する超伝導人工原子を実現する。
• ジョセフソン運動エネルギーレンジインダクタンスが外部インダクタを置き換えられることを示し、スケーラブルで電荷感度のない量子回路を実現する。

提案手法

• 大容量トンネル接合の直列アレイを用いて、大きな内在的ジョセフソン運動エネルギーレンジインダクタンスを生成する。
• 接合アレイの運動エネルギーレンジインダクタンスをシャントインダクタンスとして用い、オフセット電荷の揺らぎに対して回路を安定化する。
• 単一コープアー対効果に必要な高インピーダンス環境を維持するように回路を設計する。
• 接合パラメータを最適化し、有効インダクタンスが十分に大きく、電荷ノイズを抑制しつつ量子コherenCeを保持できるようにする。
• 量子電磁力学における電荷とフラックスの基本的非対称性を活用し、微細構造定数 α = e²/ħc が従来のインダクタベースの解決策を制限することを考慮する。
• 外部部品に依存せず、内在的回路特性によって自己整合的な電磁的環境を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オフセット電荷に対して完全に感受性のない単一コープアー対効果を示す超伝導回路を設計可能か？
• RQ2 外部インダクタを内在的ジョセフソン運動エネルギーレンジインダクタンスに置き換えることは、量子コherenCeに必要な電磁的環境を維持する形で可能か？
• RQ3 微細構造定数 α は、シャント接合に基づく電荷感度のない超伝導キュービットの設計にどのように制限を課すか？
• RQ4 運動エネルギーレンジインダクタンスは、電荷ノイズから自由でスケーラブルかつ頑健な人工原子を実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 オフセット電荷感度を排除しつつ、単一コープアー対トンネルからの非調和性を維持することは可能か？

主な発見

• 提案された回路は、単一コープアー対トンネルの特徴的非調和性を明確に示しており、コープアー対チャージング効果に起因する離散的エネルギー準位の存在を確認した。
• 接合アレイが提供する大きな運動エネルギーレンジインダクタンスのおかげで、エネルギー準位はオフセット電荷にほとんど影響されず安定している。
• 外部インダクタに依存せず、単一コープアー対効果に必要な高インピーダンス環境を実現した。
• 内在的ジョセフソン運動エネルギーレンジインダクタンスが電荷ノイズを効果的に抑制し、外部シールドや補償の必要性を排除した。
• 微細構造定数 α がもともとこのような回路における従来のインダクタの使用を制限する根本的制限を回避した。
• 人工原子はオフセット電荷の揺らぎによるデコherenceを最小限に抑え、計測や量子情報処理への応用が可能である頑健な量子挙動を示した。