[论文解读] Quasiparticle trapping by orbital effect in a hybrid superconducting-semiconducting circuit

Willemijn Uilhoorn, James Kroll+7 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 7

一句话总结

本研究证明，在高达1 T的强磁场下，通过门控可调的近邻能隙与轨道效应工程化准粒子（QP）陷阱，可有效缓解混合超导-半导体电路中的准粒子中毒。利用InAs纳米线Transmon量子比特，作者在磁场中实现了超过50 μs的量子比特奇偶性寿命，且在280 mT的奇数倍处出现增强，这是由于未栅控纳米线区段中轨道效应引起的能隙抑制所致，从而实现了在约瑟夫森结之外的稳定准粒子捕获。

ABSTRACT

The tunneling of quasiparticles (QPs) across Josephson junctions (JJs) detrimentally affects the coherence of superconducting and charge-parity qubits, and is shown to occur more frequently in magnetic fields. Here we demonstrate the parity lifetime to survive in excess of 50$\,\mathrmμ$s in magnetic fields up to 1$\,$T, utilising a semiconducting nanowire transmon to detect QP tunneling in real time. We exploit gate-tunable QP filters and find magnetic-field-enhanced parity lifetimes, consistent with increased QP trapping by the ungated nanowire due to orbital effects. Our findings highlight the importance of QP trap engineering for building magnetic-field compatible hybrid superconducting circuits.

研究动机与目标

• 研究高磁场（高达1 T）下混合超导-半导体电路中的准粒子中毒（QPP）动力学，以服务于拓扑量子计算。
• 解决非平衡准粒子在磁场存在下降低超导与电荷奇偶性量子比特相干性的问题。
• 开发可在约瑟夫森结敏感区域之外实现准粒子捕获的原位、门控可调QP滤波器。
• 探索未栅控纳米线区段中轨道效应对近邻诱导能隙的抑制作用，提升准粒子捕获效率。
• 利用偏置电荷敏感的Transmon架构，在高达1 T的磁场中实现准粒子隧穿与奇偶性切换的实时探测。

提出的方法

• 采用具有门控可调超导能隙的Al/InAs纳米线约瑟夫森结，实现在结两侧电控可调的QP滤波器。
• 利用偏置电荷敏感（OCS）Transmon量子比特实时探测奇偶性切换事件，作为准粒子隧穿的直接探针。
• 施加平行于纳米线的磁场（B∥），通过轨道效应抑制未栅控区段的近邻能隙，形成QP陷阱。
• 调节栅压（Vg）以调控准粒子的能量势垒分布，实现从在结处捕获QP（Vg ≥ 0）到在结外滤波QP（Vg < 0）的切换。
• 测量电荷奇偶性寿命（T̄P）随B∥与Vg的变化，识别由轨道效应引起的能隙抑制导致的磁场依赖性增强。
• 施加垂直于平面的磁场（B⊥），探测NbTiN接触中涡旋诱导的QP捕获，观察到B⊥ > 10 mT时T̄P显著增加。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高达1 T的强磁场下，混合超导-半导体电路中的准粒子中毒如何演化？
• RQ2 在磁场存在下，门控可调QP滤波器是否能有效将准粒子捕获在约瑟夫森结之外？
• RQ3 未栅控纳米线区段中的轨道效应在多大程度上抑制了近邻诱导能隙并提升了QP捕获效率？
• RQ4 磁场方向（平行与垂直）在调控准粒子动力学与奇偶性寿命方面发挥何种作用？
• RQ5 能否利用基于半导体的Transmon架构在强磁场中实现奇偶性切换的实时探测？

主要发现

• 在高达1 T的磁场中实现了超过50 μs的奇偶性寿命，证明了对准粒子中毒的强鲁棒性。
• 在B∥的奇数倍280 mT处观察到磁场诱导的奇偶性寿命增强，归因于未栅控纳米线区段中轨道效应引起的近邻能隙抑制。
• 从峰位位置提取出有效纳米线直径为69 nm，与95 ± 5 nm直径的InAs纳米线表面积累层（13 nm厚）一致。
• 当Vg < 0时，栅控引线中形成QP滤波器，阻止QP到达结区，从而增强T̄P；当Vg ≥ 0时，结区附近能隙抑制增强，导致QP隧穿增加，T̄P降低。
• 垂直于平面的磁场（B⊥ > 10 mT）引起T̄P显著增加，可能源于NbTiN接触中涡旋核心对QP的捕获，该结果通过谐振器线宽展宽得到证实。
• 静电门控与磁场调制的结合实现了对引线中最小准粒子激发能量的原位、实时调控，为抑制拓扑与超导量子比特中的QP中毒提供了可行策略。