[論文レビュー] High resolution measurements of the switching current in a Josephson tunnel junction: Thermal activation and macroscopic quantum tunneling

Andreas Wallraff, A. Lukashenko+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2002

Advanced Electrical Measurement Techniques被引用数 34

ひとこと要約

本論文では、電流バイアスをかけたジョセフソントンネル接合におけるスイッチング電流分布を高時間分解能で測定する手法を提示している。この手法により、熱的励起とマクロな量子トンネル効果の両方の精密な特徴づけが可能となり、相対的分解能が3.7×10⁻⁴未満に達する。これにより、約300 mKのクロスオーバー温度未満の温度で量子トンネル効果が明確に観測可能となり、量子領域における測定値と理論的予測値の一致が良好に得られた。

ABSTRACT

We have developed a scheme for a high resolution measurement of the switching current distribution of a current biased Josephson tunnel junction using a timing technique. The measurement setup is implemented such that the digital control and read-out electronics are optically decoupled from the analog bias electronics attached to the sample. We have successfully used this technique to measure the thermal activation and the macroscopic quantum tunneling of the phase in a small Josephson tunnel junction with a high experimental resolution. This technique may be employed to characterize current-biased Josephson tunnel junctions for applications in quantum information processing.

研究の動機と目的

• 電流バイアスをかけたジョセフソントンネル接合におけるスイッチング電流分布を高分解能で測定する技術を開発すること。
• 高品質なジョセフソン接合における熱的励起からマクロな量子トンネル効果への遷移を実験的に調査すること。
• 低損失で高品質因子を有する接合において、量子トンネル効果を特徴づけること。
• 超伝導キュービットにおける量子トンネル率の理論的予測を正確に実験的に検証できること。
• 固体状態量子情報処理のためのジョセフソン接合を実用的かつ信頼できるコンponentsとして発展させること。

提案手法

• 高時間分解能および高電流分解能でスイッチング電流を検出するために、時間に基づく測定手法が採用された。
• デジタル制御および読み出し電子回路を光的にバイアスアナログ回路から分離することで、電磁干渉を最小限に抑えた。
• 設置されたのは、臨界電流が約325 μA、静電容量が1.61 pFの高品質なNb-Al/AlOx-Nbトンネル接合である。
• 理論的モデリングには、傾いた洗濯機ポテンシャルにおける位相ダイナミクスを記述するためのStewart-McCumber方程式が用いられた。
• 量子トンネル率は、品質因子Q > 100を介して損失を考慮したCaldeira-Leggettモデルを用いて計算された。
• 測定された分布は、残存する実験的ノイズを補正するため、ガウスノイズモデル（σI = 47.5 nA）と畳み込み処理が施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間に基づく手法を用いたジョセフソン接合のスイッチング電流測定で達成可能な実験的分解能は何か？
• RQ2 温度を低下させた際に、脱出率が熱的励起からマクロな量子トンネル効果へとどのように遷移するか？
• RQ3 高品質因子を有するジョセフソン接合において、損失が量子トンネル効果にどの程度抑制効果を及ぼすか？
• RQ4 低温における測定されたスイッチング電流分布が、量子トンネル効果の理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ5 この測定手法は、量子情報応用に十分な精度でジョセフソン接合における量子効果を解像できるか？

主な発見

• 測定手法は、相対的分解能が3.7×10⁻⁴未満に達し、臨界電流325 μAに対して約120 nAのスイッチング電流分解能を達成した。
• 熱的から量子領域への遷移温度T*は、実験的に約300 mKと決定され、理論的予測と良好に一致した。
• データから抽出された熱的プリファクタ a_t は0.1から0.3の間で変動し、接合の低減衰領域と整合的であった。
• T = 25 mKのとき、測定されたスイッチング電流分布は、特に47.5 nAのガウスノイズモデルと畳み込んだ量子トンネル分布P_q(I)と良好に一致した。
• 量子予測の最も確率の高いスイッチング電流（323.4 μA）は、ノイズレベル内での実験データと一致し、量子トンネル効果モデルの妥当性が確認された。
• 高品質因子（Q > 100）により、損失によるトンネル率の抑制はほとんど無視できるほど小さく、減衰効果が最小限であることが示された。