[논문 리뷰] Noise correlations in a flux qubit with tunable tunnel coupling

Simon Gustavsson, Jonas Bylander외 4명|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|2011. 04. 27.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 두 개의 독립적으로 제어 가능한 링을 가진 테이블러블 초전도성 플럭스 큐비트에서 플럭스 노이즈 상관관계를 측정하며, 보상점에서의 디코herence 속도 측정을 통해 노이즈 상관관계의 부호와 크기를 추출한다. 연구에서는 두 링 내의 플럭스 변동 간 강한 반상관관계를 발견하여, 노이즈가 금속 표면의 무작위로 정렬된 비쌍자 스핀에서 기인한다는 모델을 지지한다.

ABSTRACT

We have measured flux-noise correlations in a tunable superconducting flux qubit. The device consists of two loops that independently control the qubit's energy splitting and tunnel coupling. Low frequency flux noise in the loops causes fluctuations of the qubit frequency and leads to dephasing. Since the noises in the two loops couple to different terms of the qubit Hamiltonian, a measurement of the dephasing rate at different bias points provides a way to extract both the amplitude and the sign of the noise correlations. We find that the flux fluctuations in the two loops are anti-correlated, consistent with a model where the flux noise is generated by randomly oriented unpaired spins on the metal surface.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트의 디코herence를 제한하는 저주파 플럭스 노이즈의 기원을 조사하기 위해.
• 큐비트의 서로 다른 부분에서의 플럭스 노이즈가 상관되거나 반상관되는지 확인하기 위해.
• 조정 가능한 큐비트 매개변수를 사용하여 노이즈 상관관계의 부호와 크기를 추출하기 위해.
• 플럭스 노이즈가 금속 표면의 무작위로 정렬된 비쌍자 스핀에서 기인한다는 가설을 시험하기 위해.
• 디코herence 측정을 이용하여 초전도 큐비트의 노이즈 역학을 탐색하는 일반적인 방법을 제공하기 위해.

제안 방법

• 큐비트는 에너지 분리(ε)를 제어하는 하나의 링과 턨널 결합(Δ)을 제어하는 다른 링을 포함하여, 큐비트 매개변수를 독립적으로 조절할 수 있도록 설계된다.
• 램지 간섭측정을 사용하여 공명을 탐지함으로써, 두 링의 플럭스 보상점에 따라 디코herence 속도를 측정한다.
• 물리적 플럭스 f1과 f2를 큐비트 해밀토니안 매개변수에 연결하기 위해, 효과적 플럭스 f_z와 f_x가 정의된다.
• 스펙트럼 밀도 S_f(ω) ∝ 1/|ω|를 포함하는 모델에 측정된 디코herence 속도를 피팅하여 노이즈 상관계 계수를 추출한다.
• 해밀토니안의 縦방향(ε) 및 횡방향(Δ) 항에 대한 두 플럭스의 서로 다른 결합 방식을 통해 상관관계의 부호가 결정된다.
• 결과를 해석하기 위해 표면 스핀 모델을 사용하며, 공유된 와이어 세그먼트에서 생성된 스핀이 반상관되는 플럭스 노이즈를 유도한다고 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 큐비트의 서로 다른 부분에서의 플럭스 변동은 상관되거나 반상관되는가?
• RQ2 큐비트의 디코herence 측정을 통해 노이즈 상관관계의 부호를 실험적으로 결정할 수 있는가?
• RQ3 관측된 반상관관계는 저주파 플럭스 노이즈의 표면 스핀 기원을 지지하는가?
• RQ4 플럭스 노이즈의 크기와 상관관계 계수는 큐비트 링의 기하학적 구조에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 이 방법은 초전도 회로에서 표면 스핀 시스템의 역학을 탐색하는 데 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 두 링 내의 플럭스 노이즈는 강한 반상관관계를 보이며, 측정된 상관관계 계수는 c12 = -0.55이다.
• 반상관관계는 노이즈의 원인이 전역적인 자장일 경우 나타나는 양상관관계를 배제하며, 이를 통해 원인이 전역적 자장이 아님을 시사한다.
• 측정된 상관관계 계수의 절댓값은 단순한 기하학적 스핀 모델 예측값 c12 = -0.37보다 크며, 노이즈 메커니즘에 추가적인 복잡성이 있음을 나타낸다.
• 두 링의 노이즈 스펙트럼은 각각 S_f1(ω) ∝ 1/|ω|이며, 진폭 A1 = (4.5 μΦ₀)²이고, S_f2(ω) ∝ 1/|ω|이며, 진폭 A2 = (3.1 μΦ₀)²이다.
• 결과는 플럭스 노이즈가 금속 표면의 무작위로 정렬된 비쌍자 스핀에서 기인하며, 특히 공유된 와이어 세그먼트에서 발생한다는 모델과 일치한다.
• 이 방법은 노이즈 상관관계의 진폭과 부호를 동시에 추출할 수 있으며, 초전도 큐비트의 미세한 노이즈 기원을 탐색하는 일반적인 도구를 제공한다.