[论文解读] Disentangling Losses in Tantalum Superconducting Circuits

Kevin D. Crowley, Russell A. McLellan+18 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 60被引用 12

一句话总结

本文将钽超导谐振腔中的微波损耗分解为表面 TLS、体相 TLS、准粒子以及其他损耗通道，显示表面处理可对 TLS 损耗产生适度降低，并且表面和体相 TLS 对总损耗的贡献相当。

ABSTRACT

Superconducting qubits are a leading system for realizing large scale quantum processors, but overall gate fidelities suffer from coherence times limited by microwave dielectric loss. Recently discovered tantalum-based qubits exhibit record lifetimes exceeding 0.3 ms. Here we perform systematic, detailed measurements of superconducting tantalum resonators in order to disentangle sources of loss that limit state-of-the-art tantalum devices. By studying the dependence of loss on temperature, microwave photon number, and device geometry, we quantify materials-related losses and observe that the losses are dominated by several types of saturable two level systems (TLSs), with evidence that both surface and bulk related TLSs contribute to loss. Moreover, we show that surface TLSs can be altered with chemical processing. With four different surface conditions, we quantitatively extract the linear absorption associated with different surface TLS sources. Finally, we quantify the impact of the chemical processing at single photon powers, the relevant conditions for qubit device performance. In this regime we measure resonators with internal quality factors ranging from 5 to 15 x 10^6, comparable to the best qubits reported. In these devices the surface and bulk TLS contributions to loss are comparable, showing that systematic improvements in materials on both fronts will be necessary to improve qubit coherence further.

研究动机与目标

• 识别最先进钽超导器件中介电损耗的主导来源。
• 量化表面与体相 TLS 的贡献，以及表面处理如何影响损耗。
• 建立一个定量模型，在不同温度和功率下分离 TLS、准粒子及其他损耗通道。
• 通过表面参与比率和表面处理将 TLS 损耗与器件几何相关联。
• 提供通过材料与表面处理提升量子比特相干性的可执行见解。

提出的方法

• 在蓝宝石上制造钽谐振腔，具有不同几何形状以改变表面参与比 SPR。
• 以微波功率和温度测量 Q_int，使用三项模型分离 TLS、准粒子及其他损耗。
• 将数据拟合为 Q_int^{-1} = Q_TLS^{-1}(n̄,T) + Q_QP^{-1}(T) + Q_other^{-1}，其中 TLS 与 QP 分量由既定表达式给出。
• 从拟合中提取 Q_TLS,0、D、β1、β2、Q_QP,0、Tc 和 α；并通过方程 (4)-(6) 用温度引起的频率漂移验证 Q_TLS,0。
• 改变表面条件（native、BOE、长 BOE、三酸）和 SPR，以分离表面与体相 TLS 的贡献；按式 (7) 用切线和氧化物厚度建模表面损耗。
• 估计单光子功率损耗和每种表面条件的表观损耗切线，以作为量子比特性能的代理。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温与微波功率下，钽超导谐振腔的主导损耗机制是什么？
• RQ2 表面和体相 TLS 池对损耗的贡献如何，表面处理如何改变这些损耗？
• RQ3 表面参与比率 (SPR) 如何影响 TLS 相关损耗，表面处理是否能显著降低？
• RQ4 其他损耗通道（准粒子及非 TLS）在不同温度和功率范围内的量级是多少？
• RQ5 一个定量模型是否能在不同器件中一致地分离 TLS、准粒子及其他损耗？

主要发现

• 低功率和低温下损耗由易饱和的 TLS 主导，在高功率下 Q_int 最高可达 2 × 10^8，低功率下为 1 × 10^5 至 1 × 10^7。
• Q_int(T, n̄) 的三段行为分别指向 TLS、平衡准粒子以及与功率和温度无关的损耗通道。
• 较小的、SPR 较低的器件更多受表面 TLS 控制，而较大的器件显示出体相 TLS 的贡献；表面处理使表面 TLS 损耗降低约 1.9–2.0 倍，具体取决于条件。
• 表面损耗切线对于 BOE、长 BOE、native、以及 triacid 表面分别为 (7.2±0.6)×10^-4、(7±1)×10^-4、(13.6±0.6)×10^-4、(14±3)×10^-4；体损耗切线为 (1.5±0.2)×10^-7。
• 表观 TaOx 本征损耗切线约为 (5±1)×10^-3，考虑表面参与后重新标定的值约为 (5±1)×10^-4；原生表面对应的碳氢相关损耗构成显著部分。
• 在单光子功率下，Q_TLS(n̄=1) 的取值范围为 5 至 15 × 10^6，与最先进量子比特相当，表面处理（BOE）可改善该值。