[论文解读] Electrical post-fabrication tuning of aluminum Josephson junctions at room temperature

Christian Križan, Maurizio Toselli+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2026

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一句话总结

本论文展示室温电脉冲可以可控地增加铝约瑟夫森结电阻并调整量子比特频率，电阻变化高达270%，量子比特品质因子超过1,000,000，并包含扩展调谐范围的分步 protocol。

ABSTRACT

Josephson junctions are a key element of superconducting quantum technology, serving as the core building blocks of superconducting qubits. We present an experimental study on room-temperature electrical tuning of aluminum junctions, showing that voltage pulses can controllably increase their resistance and adjust the Josephson energy while maintaining qubit quality factors above 1 million. We find that the rate of resistance increase scales exponentially with pulse amplitude during manipulation, after which the spontaneous resistance increase scales proportionally to the amount of manipulation. We show that this spontaneous increase halts at cryogenic temperatures, and resumes again at room temperature. Using our stepwise protocol, we achieve up to a 270% increase in junction resistance, corresponding to a reduction of nearly 2 GHz of the qubit transition frequency. These results establish the achievable range, relaxation behavior, and practical limits of electrical tuning, enabling post-fabrication mitigation of frequency crowding in quantum processors.

研究动机与目标

• 由于超导量子比特的制造引起的频率拥挤问题，目标是在室温下开发对约瑟夫森结的选择性后加工电阻调谐。
• 表征结电阻的老化与弛豫，并理解主动操作如何与自发变化相互作用。
• 演示实现显著、可控的电阻变化的 protocol，同时保持量子比特性能。
• 评估实际极限、范围和弛豫行为，以实现处理器中对频率的精确定位。

提出的方法

• 对单个约瑟夫森结施加双极性电压脉冲以诱导电阻变化（主动电阻调控）。
• 用二阶时间依赖对操控中的电阻演化建模：ΔR(t)=α(V)·t+β(V)·t^2，其中 α(V) 与 β(V) 捕捉线性与二次贡献。
• 从拟合中提取 α(V) 与 β(V)，发现 α(V) 随脉冲幅度指数性增长：α(V)=α0·e^{V/V0}，V0 ~55–91 mV。
• 引入分步调控以在步骤之间有弛豫期来累计更大电阻变化。
• 表征调控后的自发弛豫，发现对数时间依赖性以及与主动变化成比例的固定偏移贡献。
• 通过测量 f01、T1、T2 并在不同冷却状态下推导量子比特品质因子来评估对超导隧道量子比特的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 室温下铝约瑟夫森结可实现的电阻变化范围及其对量子比特频率的影响是什么？
• RQ2 主动电阻调控如何与固有老化和调控后弛豫相互作用，弛豫动力学是什么？
• RQ3 分步调控是否能在保持结结构完整和量子比特性能的前提下扩展可实现的电阻范围？
• RQ4 电阻调谐对跨冷却的超导隧道量子比特相干性与品质因子有何影响？

主要发现

• 主动电阻调控可观测到随电压呈指数增长的电阻变化速率，在某些样品中5分钟内电阻增加达96.2%。
• 分步调控可实现高达270%的电阻增加，对应量子比特频率约下降-1964 MHz的偏移。
• 调控后的自发弛豫对总电阻变化增加线性分量，并呈对数时间依赖性，在调控后30分钟测得约额外3.29%的电阻。
• 与主动电阻调控总变化的线性斜率在高剂量结上接近1，表明弛豫行为较为一致；对某些样品则超过1，提示调控依赖的弛豫。
• 一次调控步骤后，量子比特品质因子维持在1–1.5百万量级，表明尽管进行了显著的调谐，量子比特性能仍然保持。