[论文解读] Millisecond coherence in a superconducting qubit

Aaron Somoroff, Quentin Ficheux+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 22

一句话总结

该论文展示了一种通量onium超导量子比特，其拉姆齐退相干时间达到 $ T_2^* = 1.48 \pm 0.13 \, \text{ms} $，比以往超导量子比特的记录高出一个数量级。通过最小化材料缺陷并抑制准粒子引起的退相干，作者实现了单量子比特门保真度超过 0.9999，为固态量子系统中的退相干与控制树立了新基准。

ABSTRACT

Increasing the degree of control over physical qubits is a crucial component of quantum computing research. We report a superconducting qubit of fluxonium type with the Ramsey coherence time reaching $T_2^*= 1.48 \pm 0.13 \mathrm{~ms}$, which exceeds the state of the art value by an order of magnitude. As a result, the average single-qubit gate fidelity grew above $0.9999$, surpassing, to our knowledge, any other solid-state quantum system. Furthermore, by measuring energy relaxation of the parity-forbidden transition to second excited state, we exclude the effect of out-of-equilibrium quasiparticles on coherence in our circuit. Combined with recent demonstrations of two-qubit gates on fluxoniums, our result paves the way for the next generation of quantum processors.

研究动机与目标

• 打破近十年来超导量子比特的毫秒退相干阈值，该阈值长期停滞在约 100 µs 左右。
• 识别并抑制限制超导量子比特退相干的主要退相干机制，特别是准粒子隧穿和介电损耗。
• 通过利用通量onium量子比特对电荷和泄漏错误的内在保护特性，证明高保真度量子控制在该系统中是可行的。
• 证明通过改进材料质量和热化处理，可在固态系统中实现毫秒级退相干，从而推动可扩展量子计算的发展。

提出的方法

• 采用弱约瑟夫森结与强结组成的超电感阵列相结合的通量onium量子比特设计，以实现大的非简谐性并减小电荷矩阵元。
• 使用 $ Q = 377 $ 且频率为 $ f = 7.54 \, \text{GHz} $ 的三维铜腔，实现量子比特跃迁的非简谐读出和无线驱动。
• 通过光谱测量和与通量相关的测量确定电路参数，并验证量子比特在半通量量子处对 $ 1/f $ 通量噪声的不敏感性。
• 测量 $ T_1^{01} $ 和 $ T_1^{02} $ 随磁场通量的变化关系，以区分准粒子隧穿和介电损耗作为主要弛豫机制。
• 应用介电损耗模型 $ 1/T_1^{20} = 32\pi (E_C/h) |\langle 0|\hat{n}|2\rangle|^2 \tan\delta_C $，估算损耗正切值 $ \tan\delta_C \approx (1.5 - 4.5) \times 10^{-6} $。
• 由于在半通量偏置处未观测到 $ T_1^{01} $ 的峰值，排除了准粒子隧穿作为主要弛豫机制，并推导出准粒子密度的上限：$ x_{\text{qp}} < 6 \times 10^{-10} $。

实验结果

研究问题

• RQ1 超导量子比特能否实现超过 1 ms 的拉姆齐退相干时间，从而打破长期存在的技术壁垒？
• RQ2 通量onium量子比特中的主要退相干机制是什么？能否排除准粒子隧穿作为弛豫的主要来源？
• RQ3 非平衡准粒子的存在如何影响超导量子比特的退相干？其密度能否通过实验手段加以约束？
• RQ4 光子辅助隧穿（PAT）或热激发过程能否解释观测到的 $ T_1^{02} $ 在约 1.5 ms 处的饱和现象？
• RQ5 材料缺陷和线路热化在多大程度上限制了退相干？它们是否可通过优化手段被缓解，从而将退相干时间推进至毫秒量级？

主要发现

• 拉姆齐退相干时间 $ T_2^* $ 达到了 $ 1.48 \pm 0.13 \, \text{ms} $，比先前最先进的水平高出一个数量级。
• 平均单量子比特门保真度超过 0.9999，为迄今为止任何固态量子系统中报道的最高保真度。
• 在半通量量子处未观测到 $ T_1^{01} $ 的峰值，排除了准粒子隧穿作为主要弛豫机制的可能性。
• 在半通量偏置处 $ T_1^{01} > 1 \, \text{ms} $ 的测量结果，为准粒子密度设定了上限：$ x_{\text{qp}} < 6 \times 10^{-10} $，即整个电路中准粒子数量少于一个。
• $ T_1^{02} $ 在接近半通量偏置时趋于约 1.5 ms 的饱和值，与可能由光子辅助隧穿或热激发引起的宇称破坏衰变过程一致。
• 观测到的 $ T_1^{02} $ 饱和现象以及 $ T_1^{01} $ 中未出现双指数衰减，支持介电损耗为最主要的弛豫通道，其损耗正切值为 $ \tan\delta_C \approx (1.5 - 4.5) \times 10^{-6} $。