[论文解读] Flux Qubits in Three-Dimensional Circuit-QED Architecture

Michael Stern, Yuimaru Kubo+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2014

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本文展示了将超导通量量子比特集成到三维铜腔中，并通过芯片上的电感耦合与谐振器连接，实现了在通量无关工作点下6–20 μs的本征能量弛豫时间以及3–10 μs的纯退相干时间，显著提升了相干性，并为实现相干自旋耦合提供了可能。

ABSTRACT

We present measurements of superconducting flux qubits embedded in a three dimensional copper cavity. The qubits are fabricated on a sapphire substrate and are measured by coupling them inductively to an on-chip superconducting resonator located in the middle of the cavity. At their flux-insensitive point, all measured qubits reach an intrinsic energy relaxation time in the 6-20 microseconds range and a pure dephasing time comprised between 3 and 10 microseconds. This significant improvement over previous works opens the way to the coherent coupling of a flux-qubit to individual spins.

研究动机与目标

• 通过将通量量子比特集成到三维电路-QED架构中，提升其相干时间。
• 解决通量量子比特退相干时间短的问题，该问题限制了其在可扩展量子计算中的应用。
• 通过实现长本征弛豫时间和退相干时间，实现通量量子比特与单个自旋之间的相干耦合。
• 展示一种基于增强相干性的通量量子比特的可扩展量子信息处理平台。

提出的方法

• 通量量子比特在蓝宝石基板上制造，并嵌入三维铜腔中，以增强电磁约束并减少退相干。
• 通过将芯片上的超导谐振器置于腔体中心，实现量子比特与谐振器之间的电感耦合，以实现强且相干的耦合。
• 在量子比特的通量无关工作点进行测量，以最小化对磁通噪声的敏感性。
• 通过标准光谱测量提取能量弛豫时间（T₁）和纯退相干时间（T₂*）。
• 与平面结构相比，3D腔体结构提供了更高的品质因数，并减少了与外部噪声源的耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 当通量量子比特嵌入3D电路-QED架构时，能否实现显著改善的相干时间？
• RQ2 与芯片上的谐振器进行电感耦合在多大程度上提升了量子比特的相干性和控制保真度？
• RQ3 在3D腔体环境中，通量量子比特的本征弛豫时间和退相干时间能否延长至10微秒量级？
• RQ4 改善后的相干性是否足以实现通量量子比特与单个自旋之间的相干耦合？

主要发现

• 通量量子比特实现了6–20微秒范围内的本征能量弛豫时间（T₁），相比以往实现方式有显著提升。
• 纯退相干时间（T₂*）测量值在3至10微秒之间，表明在通量无关工作点下对环境噪声的敏感性降低。
• 3D腔体约束与芯片上谐振器耦合的结合，有效抑制了影响平面通量量子比特的退相干机制。
• 观测到的相干时间足以支持通量量子比特与单个自旋之间的相干耦合，满足可扩展量子信息处理的需求。
• 结果表明，3D电路-QED架构能够实现稳定、长寿命的通量量子比特，适用于高级量子操作。