[论文解读] Decoherence of a tunable capacitively shunted flux qubit

R. Trappen, Xi Dai+20 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2023

Quantum and electron transport phenomenaPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究调查了用于量子退火的可调谐电容分流通量量子比特中的退相干机制，识别出在3 GHz以下时，本征通量噪声是主要的弛豫来源；在更高频率下，偏置线中的热噪声则成为主导因素。关键发现表明，两个量子比特回路中的低频通量噪声共同导致退相干，且可能存在噪声相关性，为可扩展量子退火器的相干性提升提供了设计改进依据。

ABSTRACT

Quantum annealing is a method to solve optimization problems that leverages quantum tunneling in a coupled qubit system. We present a detailed study of the coherence of a tunable capacitively-shunted flux qubit, designed for coherent quantum annealing applications. We find that for high qubit frequencies, thermal noise in the bias line makes a significant contribution to the relaxation, arising from the design choice to experimentally explore both fast annealing and high-frequency control. The measured dephasing rate is primarily due to intrinsic low-frequency flux noise in the two qubit loops, with additional contribution from the low-frequency noise of control electronics used for fast annealing. Our results characterize decoherence in a realistic setup for quantum annealing and are relevant for ongoing efforts toward building superconducting quantum annealers with increased coherence.

研究动机与目标

• 表征可调谐电容分流通量量子比特在量子退火应用中的弛豫与退相干机制。
• 识别在不同量子比特频率和通量偏置下影响T₁与Tϕ的主要噪声源。
• 研究X-和Z-通量回路之间潜在的噪声相关性，其可能影响量子比特相干性。
• 评估临界电流噪声、光子散粒噪声及准粒子效应在退相干中的贡献。
• 通过隔离关键退相干通道，为未来高相干性超导量子退火器的设计提供指导。

提出的方法

• 在一系列通量偏置和量子比特频率下测量弛豫时间T₁与Ramsey退相干时间Tϕ。
• 利用Bloch-Redfield理论将退相干率与噪声功率谱密度（PSD）及噪声耦合算符的矩阵元关联起来。
• 采用数值电路建模计算量子比特频率对临界电流和通量偏置的敏感度，从而估算噪声引起的退相干。
• 应用低通滤波器（100 MHz与32 kHz）控制任意波形发生器（AWGs）引入的电子噪声，以隔离其对退相干的贡献。
• 利用从准静态和马尔可夫近似推导出的解析表达式，评估二阶通量噪声耦合与光子散粒噪声的贡献。
• 通过测量电荷偏置变化下的频率漂移，评估电荷噪声与准粒子效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同频率范围内，电容分流通量量子比特中弛豫（T₁）的主要噪声源是什么？
• RQ2 X-和Z-通量回路中的通量偏置如何影响退相干（Tϕ）？这又对噪声相关性意味着什么？
• RQ3 与本征通量噪声相比，临界电流噪声、光子散粒噪声及准粒子效应在退相干中的贡献程度如何？
• RQ4 偏置线和控制电子设备中的热噪声如何影响高量子比特频率下的相干性？
• RQ5 所观测到的退相干行为是否可由一阶通量噪声耦合解释，还是高阶效应具有显著影响？

主要发现

• 在约3 GHz以下，对称点处的弛豫主要由主量子比特回路中的本征低频通量噪声引起。
• 在更高频率（>3 GHz）时，由于设计支持快速退火和高频控制，偏置线中的热噪声成为弛豫的显著贡献者。
• 退相干主要由X-和Z-通量回路中的本征低频通量噪声主导，且快退火控制电子设备中的低频噪声也带来额外贡献。
• 退相干时间对通量偏置的依赖关系揭示了两个量子比特回路之间存在明显的噪声相关性，暗示可能存在非局域通量噪声或约瑟夫森结临界电流噪声。
• 临界电流噪声（每结归一化振幅为4.0×10⁻⁶）对退相干有显著贡献，可能解释X-和Z-回路噪声之间的观测相关性。
• 光子散粒噪声与二阶通量噪声耦合的贡献可忽略不计，其估算的退相干率分别为约1 kHz与约1 MHz，远低于实测值。