[論文レビュー] Disentangling Losses in Tantalum Superconducting Circuits

Kevin D. Crowley, Russell A. McLellan+18 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 60被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、タンタル超伝導共振器におけるマイクロ波損失を、表面TLS、体積TLS、準粒子、およびその他の損失チャネルに分解し、表面処理がTLS損失を適度に低減し得ること、表面TLSと体積TLSの両方が全体の損失に同程度寄与することを示している。

ABSTRACT

Superconducting qubits are a leading system for realizing large scale quantum processors, but overall gate fidelities suffer from coherence times limited by microwave dielectric loss. Recently discovered tantalum-based qubits exhibit record lifetimes exceeding 0.3 ms. Here we perform systematic, detailed measurements of superconducting tantalum resonators in order to disentangle sources of loss that limit state-of-the-art tantalum devices. By studying the dependence of loss on temperature, microwave photon number, and device geometry, we quantify materials-related losses and observe that the losses are dominated by several types of saturable two level systems (TLSs), with evidence that both surface and bulk related TLSs contribute to loss. Moreover, we show that surface TLSs can be altered with chemical processing. With four different surface conditions, we quantitatively extract the linear absorption associated with different surface TLS sources. Finally, we quantify the impact of the chemical processing at single photon powers, the relevant conditions for qubit device performance. In this regime we measure resonators with internal quality factors ranging from 5 to 15 x 10^6, comparable to the best qubits reported. In these devices the surface and bulk TLS contributions to loss are comparable, showing that systematic improvements in materials on both fronts will be necessary to improve qubit coherence further.

研究の動機と目的

• 最先端のタンタル超伝導デバイスにおける誘電損失の支配要因を特定する。
• 表面対ベースTLSの寄与を定量化し、表面処理が損失にどのように影響するかを評価する。
• TLS、準粒子、その他の損失チャネルを温度・パワー領域全体で分離する定量モデルを開発する。
• 表面参加比（SPR）および表面処理を通じて、TLS損失をデバイス幾何との関連で説明する。
• 材料と表面処理を通じて量子ビットコヒーレンスの改善に向けた実用的な洞察を提供する。

提案手法

• サファイア上にTa共振器を作製し、SPRを変えるための幾何を用意する。
• マイクロ波パワーと温度の関数としてQ_intを測定し、三成分モデルを用いてTLS、準粒子、その他の損失を分離する。
• TLSおよびQp成分を既知の表現式で与え、Q_int^{-1} = Q_TLS^{-1}(n̄,T) + Q_QP^{-1}(T) + Q_other^{-1} にデータを適合させる。
• 適合からQ_TLS,0、D、β1、β2、Q_QP,0、Tc、αを抽出し、式(4)-(6)を用いた温度による周波数シフトでQ_TLS,0を検証する。
• 表面条件（ネイティブ、BOE、長BOE、三酸）およびSPRを変えて、表面と体 bulk TLSの寄与を分離する。表面損失は式(7)に従いタンジェントと酸化膜厚さでモデル化する。
• 各表面条件について単一光子パワー損失と見掛けの損失正接を推定し、量子ビット性能の代理指標とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クリティカルな cryogenic 温度とマイクロ波パワー領域でのタンタル超伝導共振器の支配的な損失機構は何か？
• RQ2 表面および体積TLS浴は損失にどのように寄与し、表面処理はこれらの損失をどう変えるのか？
• RQ3 表面参加比（SPR）はTLS関連損失にどのような影響を与え、表面処理はそれを意味的に低減できるか？
• RQ4 温度とパワーのさまざまな領域で、他の損失チャネル（準粒子・非TLS） の大きさはどれくらいか？
• RQ5 デバイス間でTLS、準粒子、その他の損失を定量的モデルで一貫して分離できるか？

主な発見

• 低パワー・低温領域では吸収可能なTLSが支配的で、パワーが大きい場合のQ_intは最大で2×10^8、低パワー領域では1×10^5〜1×10^7である。
• Q_int(T,n̄)には3つのレジームが観測され、TLS、平衡状態の準粒子、そしてパワー・温度に依存しない別の損失チャネルがそれぞれ対応している。
• SPRが小さいデバイスは表面TLSでより強く支配され、SPRが大きいデバイスでは体積TLSの寄与が現れる。表面処理は表面TLS損失を約1.9〜2.0×低減させる（条件に依存） 。
• 表面損失正接はBOE、長BOE、ネイティブ、三酸の順に (7.2±0.6)×10^-4、(7±1)×10^-4、(13.6±0.6)×10^-4、(14±3)×10^-4、体bulk損失正接は(1.5±0.2)×10^-7 である。
• 見掛けのTaOx固有損失正接は約(5±1)×10^-3で、表面参加比を反映して再スケーリング後は約(5±1)×10^-4となる。ハイドロカーボン関連損失はネイティブ表面で顕著な成分を占める。
• 単一光子パワーでは、Q_TLS(n̄=1)は5〜15×10^6の範囲で、最新世代の量子ビットと同等であり、表面処理（BOE）によってこの値は改善される。