[论文解读] Improved superconducting qubit coherence with high-temperature substrate annealing

Archana Kamal, Jonilyn Yoder+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用 13

一句话总结

本研究证明，高温基底退火——特别是900–1100 °C的退火——显著提升了超导量子比特的相干性，在蓝宝石基底上实现了弛豫时间（T₁）超过10倍的提升，无论采用常规蒸发法还是分子束外延法沉积铝。该提升归因于基底-金属界面和基底-空气界面处介电损耗的降低，而退相干噪声水平在不同条件下保持相近。

ABSTRACT

We assess independently the impact of high-temperature substrate annealing and metal deposition conditions on the coherence of transmon qubits in the standard 2D circuit-QED architecture. We restrict our study to devices made with aluminum interdigital capacitors on sapphire substrates. We record more than an order-of-magnitude improvement in the relaxation time of devices made with an annealed substrate, independent of whether a conventional evaporator or molecular beam epitaxy chamber was used to deposit the aluminum. We also infer similar levels of flux noise and photon shot noise through dephasing measurements on these devices. Our results indicate that substrate annealing plays a primary role in fabricating low-loss qubits, consistent with the hypothesis that substrate-air and substrate-metal interfaces are essential factors limiting the qubit lifetimes in superconducting circuits.

研究动机与目标

• 隔离并量化基底退火与金属沉积条件对超导量子比特相干性影响的独立作用。
• 确定基底制备与金属生长环境中，哪一因素在提升量子比特弛豫时间（T₁）方面起主导作用。
• 评估叉指电容（IDC）几何结构对电场分布与介电损耗的调制作用。
• 评估退火与非退火器件中的磁通噪声与光子散粒噪声水平，以排除噪声作为相干性提升来源的可能性。
• 确立基底退火作为一种可扩展、与制造工艺兼容的方法，用于实现高相干性超导量子比特。

提出的方法

• 开展退火对比实验，使用相同的常规电子束蒸发法沉积铝，比较退火与非退火蓝宝石基底上量子比特的T₁。
• 开展沉积工艺对比实验，比较在相同退火基底上使用常规蒸发器（10⁻⁷ Torr）与分子束外延法（10⁻¹¹ Torr）沉积铝的器件T₁。
• 将T₁参数化为与频率无关的品质因数Q，以实现不同频率量子比特之间的可比性。
• 通过Ramsey与echo协议测量T₂与退相干时间，以评估磁通噪声与光子散粒噪声的贡献。
• 利用关系式 (T₂g^E)⁻¹ = DΦ√(A log 2) 从echo衰减中推断磁通噪声幅值A，并利用 (Tϕ^E)⁻¹ = 8⟨n⟩χ²/(κ + 4χ²/κ) 估算谐振腔光子数⟨n⟩。
• 系统性地改变IDC指条尺寸（10/10、10/20、25/25 μm），研究介电损耗与T₁的几何依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 高温基底退火是否能独立地提升量子比特T₁，而与铝沉积技术无关？
• RQ2 所观察到的T₁提升是否源于基底-金属或基底-空气界面处介电损耗的降低？
• RQ3 退火与非退火基底上的磁通噪声与光子散粒噪声水平有何差异？
• RQ4 叉指电容几何结构在多大程度上通过电场参与影响量子比特相干性？
• RQ5 仅通过基底退火是否足以实现高相干性，而无需采用超高真空沉积工艺？

主要发现

• 在退火蓝宝石基底上制备的Transmon器件，无论沉积方法如何，Q值均超过10⁶，相比非退火基底（Q ~ 10⁵）提升了逾10倍。
• T₁从非退火基底上的~0.25 μs提升至退火基底上优化IDC几何结构（25/25 μm）时的35.3 μs。
• 磁通噪声幅值A在退火与非退火器件中均推断为(1.5–3) μΦ₀²，表明磁通噪声无显著差异。
• 谐振腔光子数⟨n⟩在退火与非退火器件中均估算为≈0.007，与背景散粒噪声水平一致。
• T₂退相干时间可由光子数涨落完全解释，退火器件中无额外退相干机制的证据。
• T₁的提升归因于基底界面处介电损耗的降低，而非金属沉积条件或噪声源。