[논문 리뷰] Transmon qubit with relaxation time exceeding 0.5 milliseconds

Chenlu Wang, Xuegang Li외 26명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 20.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 14인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 건식 에칭을 통해 얻은 탄탈룸(Ta) 필름을 사용하여 제작된 트랜스몬 큐비트를 보고하며, 이는 503 마이크로초에 이르는 리액티브 시간(T1)을 기록하여 0.5 밀리초를 초과한다. 향상된 코herence는 탠탄탈룸 기반 큐비트에서 금속-공기 인터페이스의 산화물 손실가 줄어들어 니오븀(Nb) 및 알루미늄(Al) 대비 감소한 것으로 기인된다. 이는 타닌(Ta)이 스케일러블 초전도 큐비트 컴퓨팅 분야에서 잠재력을 지닌다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

By using the dry etching process of tantalum (Ta) film, we had obtained transmon qubit with the best lifetime (T1) 503 us, suggesting that the dry etching process can be adopted in the following multi-qubit fabrication with Ta film. We also compared the relaxation and coherence times of transmons made with different materials (Ta, Nb and Al) with the same design and fabrication processes of Josephson junction, we found that samples prepared with Ta film had the best performance, followed by those with Al film and Nb film. We inferred that the reason for this difference was due to the different loss of oxide materials located at the metal-air interface.

연구 동기 및 목표

• 고도로 발달된 제조 기술을 활용하여 트랜스몬 큐비트의 리액티브 시간(T1)을 0.5 밀리초 이상 연장하는 것.
• 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 알루미늄(Al)과 같은 다양한 초전도 물질이 큐비트의 코herence 및 리액티브 시간에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 다양한 물질 간에 큐비트 성능을 제한하는 인터페이스 산화물 손실의 역할을 규명하는 것.
• 초전도 큐비트 프로세서의 다중 큐비트 통합을 위한 고성능 및 확장 가능한 방법으로 건식 에칭을 통해 타닌 필름을 활용할 수 있는지 확인하는 것.

제안 방법

• 기존 방법에 비해 표면 손상을 최소화하는 건식 에칭을 사용하여 트랜스몬 큐비트 제작을 위한 타닌(Ta) 박막을 처리하였다.
• 모든 물질(Ta, Nb, Al) 간에 동일한 조셉슨 접합 제작 및 장치 설계를 유지하여 공정한 성능 비교를 확보하였다.
• 제작된 큐비트의 리액티브 시간(T1)과 코herence 시간(T2)을 표준 스펙트로스코픽 기법을 사용하여 측정하였다.
• 물질 특성 분석을 통해 금속-공기 경계면의 인터페이스 산화물 층을 분석하여 산화물 손실과 큐비트 디코herence 간의 상관관계를 규명하였다.
• 동일 조건 하에서 Ta, Nb, Al 큐비트의 T1 및 T2 성능을 비교하여 물질에 따른 영향을 분리 분석하였다.
• 건식 에칭을 통해 확보된 Ta 기반 큐비트의 T1 값 503 µs를 스케일러블 큐비트 아키텍처에서의 물질 적합성 기준으로 삼았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 건식 에칭을 통해 타닌 필름을 처리하면 트랜스몬 큐비트의 리액티브 시간(T1)이 0.5 밀리초를 초과하여 현저히 연장될 수 있는가?
• RQ2 동일한 공정 조건을 사용하여 제작된 타닌, 니오븀, 알루미늄 기반 트랜스몬 큐비트의 리액티브 및 코herence 시간은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 인터페이스 산화물 층이 큐비트 디코herence에 기여하는 정도는 무엇이며, 다양한 초전도 물질 간에 어떻게 다름이 있는가?
• RQ4 산화물 관련 손실가 낮아 타닌은 니오븀 및 알루미늄에 비해 큐비트 수명 측면에서 성능 우위를 점할 수 있는가?
• RQ5 건식 에칭을 통해 처리된 타닌은 다중 큐비트 초전도 큐비트 프로세서에 신뢰성 있게 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 건식 에칭을 통해 제작된 타닌(Ta) 필름 기반 트랜스몬 큐비트는 리액티브 시간(T1)으로 503 마이크로초를 기록하여 0.5 밀리초를 초과하였다.
• 타닌 기반 큐비트는 테스트된 모든 물질 중에서 가장 긴 T1를 기록하였으며, 동일한 제조 및 설계 조건 하에서 니오븀(Nb) 및 알루미늄(Al) 큐비트를 모두 능가하였다.
• Ta 큐비트의 뛰어난 성능은 금속-공기 인터페이스에서의 유전 손실이 니오븀 및 알루미늄 대비 감소했기 때문으로 기인되었다.
• 알루미늄(Al) 큐비트는 중간 수준의 T1 값을 보였고, 니오븀(Nb) 큐비트는 가장 짧은 T1를 기록하여 더 높은 산화물 관련 손실을 나타내었다.
• 결과적으로 건식 에칭을 통한 타닌 필름 처리는 고코herence 초전도 큐비트 제작에 실현 가능하고 효과적인 방법임을 시사한다.
• 본 연구는 타닌을 스케일러블 고신뢰성 초전도 큐비트 프로세서에 대한 알루미늄 및 니오븀의 유망한 대체재로 확립하였다.