[论文解读] Systematic Improvements in Transmon Qubit Coherence Enabled by Niobium Surface Encapsulation

Mustafa Bal, Akshay A. Murthy+38 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2023

Quantum and electron transport phenomena参考文献 36被引用 5

一句话总结

本论文提出了一种使用钽、铝、氮化钛或金作为盖帽层对铌表面进行包覆的工艺，以防止超导transmon量子比特表面形成损耗性铌氧化物。通过钝化铌表面，该方法使T₁退相干时间比基线器件延长2–5倍，中位寿命超过300 μs，最大值达600 μs——在蓝宝石和硅基底上报道的超导量子比特中属于最高水平。

ABSTRACT

We present a novel transmon qubit fabrication technique that yields systematic improvements in T$_1$ relaxation times. We fabricate devices using an encapsulation strategy that involves passivating the surface of niobium and thereby preventing the formation of its lossy surface oxide. By maintaining the same superconducting metal and only varying the surface structure, this comparative investigation examining different capping materials, such as tantalum, aluminum, titanium nitride, and gold, and film substrates across different qubit foundries definitively demonstrates the detrimental impact that niobium oxides have on the coherence times of superconducting qubits, compared to native oxides of tantalum, aluminum or titanium nitride. Our surface-encapsulated niobium qubit devices exhibit T$_1$ relaxation times 2 to 5 times longer than baseline niobium qubit devices with native niobium oxides. When capping niobium with tantalum, we obtain median qubit lifetimes above 300 microseconds, with maximum values up to 600 microseconds, that represent the highest lifetimes to date for superconducting qubits prepared on both sapphire and silicon. Our comparative structural and chemical analysis suggests why amorphous niobium oxides may induce higher losses compared to other amorphous oxides. These results are in line with high-accuracy measurements of the niobium oxide loss tangent obtained with ultra-high Q superconducting radiofrequency (SRF) cavities. This new surface encapsulation strategy enables even further reduction of dielectric losses via passivation with ambient-stable materials, while preserving fabrication and scalable manufacturability thanks to the compatibility with silicon processes.

研究动机与目标

• 解决由损耗性铌表面氧化物引起的超导transmon量子比特相干时间短这一长期限制问题。
• 在保持相同铌基底材料的前提下，系统评估不同盖帽材料（Ta、Al、TiN、Au）对量子比特T₁退相干时间的影响。
• 建立一种可扩展、兼容硅基的制造工艺，通过钝化铌表面来防止环境氧化并减少介电损耗。
• 提供确凿的实验证据，证明铌氧化物相较于其他氧化物具有更高的双势阱态（TLS）密度和更大的能量损耗。
• 在暴露于空气之前，通过使用环境稳定的盖帽层进一步抑制介电损耗，为未来量子计算和超导器件的发展提供支持。

提出的方法

• 使用铌作为超导材料制造transmon量子比特，通过原子层沉积或蒸发工艺在表面沉积Ta、Al、TiN或Au盖帽层进行包覆。
• 采用超高Q值超导射频（SRF）腔体精确测量铌氧化物的损耗正切，验证其固有的损耗特性。
• 利用深度敏感的X射线光电子能谱（XPS）和电子能量损失谱（EELS）分析金属/氧化物界面处的氧化态和氧化学计量比。
• 结合透射电子显微镜（TEM）与基于动力学散射理论的X射线反射率测量，确定氧化物厚度与结构，发现未包覆的铌表面存在4.1 nm的Nb₂O₅和0.5 nm的NbO，而Ta包覆的铌表面则形成5.9 nm的化学计量比Ta₂O₅。
• 在多个量子比特制造厂和基底（蓝宝石与硅）上进行T₁退相干时间的对比测量，确保结果的可重复性与可扩展性。
• 将结构与化学数据与量子比特性能相关联，识别出铌氧化物中可变氧含量及顺磁性自旋矩作为磁通噪声与能量损耗的来源。

Figure 1: (a) 8 qubit chip layout consisting of 3 different geometries. (b) Low magnification annular dark field scanning transmission electron microscopy (ADF-STEM) image taken from a cross-section of a Nb transmon qubit where the Nb film is capped with a Ta metal layer. (c) Cryogenic wiring diagra

实验结果

研究问题

• RQ1 当底层铌材料相同时，不同盖帽材料（Ta、Al、TiN、Au）对铌基transmon量子比特的T₁退相干时间有何影响？
• RQ2 与钽或铝等其他金属的天然氧化物相比，铌量子比特表面形成的非晶态铌氧化物在多大程度上会降低量子比特相干性？
• RQ3 一种在制造过程中能防止铌在空气中氧化的表面包覆策略，是否能显著提升量子比特相干时间，同时保持与工业级硅基工艺的兼容性？
• RQ4 与Ta₂O₅或Al₂O₃等其他非晶氧化物相比，铌氧化物中更高的介电损耗在结构与化学上源于何处？
• RQ5 化学计量比的Ta₂O₅盖帽层是否相比非化学计量、变价态的铌氧化物，能降低双势阱态（TLS）密度或顺磁性自旋矩？

主要发现

• 使用钽包覆的铌量子比特中位T₁退相干时间超过300 μs，最大值达600 μs——这是在蓝宝石和硅基底上制造的超导量子比特中报道的最长时间。
• Ta包覆的铌量子比特的T₁时间比具有天然铌氧化物的基线铌量子比特长2至5倍，表明在多个制造设施中均实现了系统性提升。
• XPS与EELS分析证实，Ta包覆表面由5.9 nm的化学计量比Ta₂O₅层构成，而天然Nb氧化物则包含4.1 nm的Nb₂O₅和0.5 nm的非化学计量比NbO，表明氧非化学计量比与损耗增加之间存在直接关联。
• 本研究提供了确凿的实验证据，证明由于氧含量可变及存在顺磁性自旋矩，铌氧化物的双势阱态（TLS）密度和介电损耗均高于Ta₂O₅、Al₂O₃或TiN等其他氧化物。
• 该包覆方法兼容标准硅基制造工艺，可实现高相干性超导量子比特的可扩展、工业级生产。
• 超高Q值SRF腔体测量结果证实了铌氧化物具有较高的损耗正切，验证了Nb表面氧化物的固有损耗特性，并支持了包覆器件中观测到的相干性提升。

Figure 2: Structural and chemical characterization of transmon qubit. (a-d) Chemical phase maps generated through STEM energy dispersive spectroscopy of the Nb films capped with Ta, Al, TiN, and Au, respectively. The Ta, Al, and Au capping layers are roughly 10 nm thick and the TiN layer is roughly