[论文解读] Origin and Suppression of $1/f$ Magnetic Flux Noise

Pradeep Kumar, S. Sendelbach+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用 40

一句话总结

本研究确定吸附的分子O₂是超导量子比特中$1/f$磁通噪声的主要来源。通过改善真空条件并实施表面钝化，作者将静态自旋磁化率抑制超过10倍，并将$1/f$磁通噪声功率谱密度降低至最多5.1倍，从而实现了更长的量子比特相干时间。

ABSTRACT

Magnetic flux noise is a dominant source of dephasing and energy relaxation in superconducting qubits. The noise power spectral density varies with frequency as $1/f^α$ with $α\sim 1$ and spans 13 orders of magnitude. Recent work indicates that the noise is from unpaired magnetic defects on the surfaces of the superconducting devices. Here, we demonstrate that adsorbed molecular O$_2$ is the dominant contributor to magnetism in superconducting thin films. We show that this magnetism can be suppressed by appropriate surface treatment or improvement in the sample vacuum environment. We observe a suppression of static spin susceptibility by more than an order of magnitude and a suppression of $1/f$ magnetic flux noise power spectral density by more than a factor of 5. These advances open the door to realization of superconducting qubits with improved quantum coherence.

研究动机与目标

• 确定超导量子比特中$1/f$磁通噪声的微观起源，这是量子相干性面临的主要障碍。
• 确定吸附在器件表面的分子O₂是否是表面磁性和磁通噪声的主导来源。
• 开发并测试可抑制磁性缺陷并降低噪声的表面处理方法与真空改善措施。
• 在实验器件中实现自旋磁化率和$1/f$噪声功率谱密度的可测量抑制。

提出的方法

• 在高级光子源处进行X射线磁圆二色性（XMCD）和X射线吸收谱（XAS）测量，以探测铝和铌薄膜的元素态与磁性状态。
• 利用密度泛函理论（DFT）和蒙特卡洛模拟，建模O₂在Al₂O₃上的吸附行为，并预测自旋动力学与噪声特性。
• 在表面处理前后，表征铌基SQUID的表面自旋磁化率。
• 在Si₃N₄和SiO₂封装的铝基量子比特中，测量处理前后的$1/f$磁通噪声功率谱密度。
• 在真空中应用表面钝化和紫外辐照，以减少吸附物引起的磁性。
• 在多个器件间比较噪声水平，并追踪热循环过程中的稳定性，以评估可重复性与鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 吸附的分子O₂是否是导致超导量子比特中$1/f$磁通噪声的未配对磁性缺陷的主导来源？
• RQ2 表面钝化与改善的真空条件是否能显著降低表面自旋磁化率和$1/f$噪声功率谱密度？
• RQ3 噪声抑制水平与静态自旋磁化率及表面磁性缺陷密度变化之间的相关性如何？
• RQ4 尽管采用相似的处理工艺，为何在Nb SQUID中噪声抑制效果大于铝基器件？
• RQ5 表面无序与分子间自旋-自旋相互作用在产生$1/f$噪声中起什么作用？

主要发现

• 通过XMCD和XAS测量确认，吸附的分子O₂是超导薄膜中表面磁性的主导来源，空气暴露后在氧K边显示出清晰的磁信号。
• 在Nb SQUID中，表面钝化与改善的真空条件使静态自旋磁化率降低了一个多数量级以上。
• 在Si₃N₄封装的铝基器件中，$1/f$磁通噪声功率谱密度平均降低2.8倍，最佳情况下降低至5.1倍，且按器件长宽比归一化后达到最低报道值。
• 噪声水平在热循环过程中保持稳定，表明噪声主要由固定的表面缺陷引起，而非瞬态或热激活过程。
• 在真空中进行紫外辐照未能抑制SiO₂封装器件的噪声，可能由于化学键断裂和额外氧释放，表明氧化物完整性至关重要。
• 尽管Nb SQUID中自旋磁化率抑制更大，但铝基器件中噪声降低较小，表明表面无序与分子间相互作用显著影响噪声动力学。