[论文解读] Protecting superconducting qubits from external sources of loss and heat

Antonio Córcoles, Jerry M. Chow+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2011

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 17被引用 62

一句话总结

本研究证明，将超导量子比特嵌入吸收性环氧树脂介质中可显著降低环境损耗，通过抑制内部辐射引起的准粒子生成，使量子比特退相干时间提高十倍（达5.7 μs），并显著降低有效量子比特温度，揭示了外部电磁辐射是低温装置中退相干的主要来源。

ABSTRACT

We characterize a superconducting qubit before and after embedding it along with its package in an absorptive medium. We observe a drastic improvement in the effective qubit temperature and over a tenfold improvement in the relaxation time up to 5.7 $μ$s. Our results suggest the presence of external radiation inside the cryogenic apparatus can be a limiting factor for both qubit initialization and coherence. We infer from simple calculations that relaxation is not limited by thermal photons in the sample prior to embedding, but by dissipation arising from quasiparticle generation.

研究动机与目标

• 识别并缓解超导量子比特在低温环境中的外源性退相干源。
• 确定外部电磁辐射和黑体辐射是否显著贡献于量子比特退相干和热激发。
• 通过吸收性材料屏蔽消除外部环境贡献，从而隔离本征损耗机制。
• 评估高频辐射引起的准粒子生成对量子比特相干性和退相干时间的影响。
• 展示一种通过将量子比特封装嵌入损耗性、吸收性材料中的实用方法，以提升量子比特相干性。

提出的方法

• 对同一电容分流通量量子比特（CSFQ）在两种配置下进行表征：首先在标准低温设置中无屏蔽状态，随后将整个PCB封装嵌入eccosorb环氧树脂（一种损耗性吸收材料）中。
• 在嵌入前后测量量子比特退相干时间（T1）和谱学特性，以比较相干性和热态布居。
• 执行自旋回波实验以测量T2，确认相干性改善。
• 量子比特在“最佳工作点”（半整数通量量子）下运行，以最小化对通量噪声的敏感性，并隔离环境效应。
• 对嵌入样品进行温度依赖性测量，以模拟嵌入前的条件，并评估准粒子贡献。
• 通过准粒子诱导退相干的理论建模，解释观测到的T1退化与恢复现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准低温设置中，超导量子比特的外源性退相干的主要来源是什么？
• RQ2 将量子比特封装嵌入吸收性介质后，其退相干时间与有效温度如何变化？
• RQ3 高频电磁辐射和黑体辐射在多大程度上贡献于准粒子生成和量子比特退相干？
• RQ4 嵌入后T1的改善是否可归因于外部辐射引起的准粒子生成减少？
• RQ5 介电损耗和电阻损耗在量子比特退相干中起什么作用？能否将其与环境贡献分离？

主要发现

• 将量子比特封装嵌入eccosorb环氧树脂后，退相干时间提高十倍，从513 ns增至5.7 μs。
• 嵌入后的量子比特谱学测量未显示激发态的热布居，表明有效温度显著降低。
• 推断有效热库温度降低至约1.3 K，远低于800 mK的屏蔽后温度，表明辐射诱导的准粒子是主要损耗来源。
• 在175 mK下，嵌入量子比特的T1 ≈ 700 ns，且谱线显示多个跃迁，与嵌入前行为一致，证实准粒子生成是主导损耗机制。
• 嵌入前观测到的T1退化与5 GHz处的直接黑体激发不一致，因所需有效温度（1.3 K）超过物理热库温度。
• 结果表明，频率高于80 GHz的辐射（超过铝的超导能隙Δ ~ 200 μeV）引起的准粒子生成是超导量子比特中主要的退相干来源。