[论文解读] Hexagonal Boron Nitride (hBN) as a Low-loss Dielectric for Superconducting Quantum Circuits and Qubits

Joel I-J. Wang, Megan Yamoah+20 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 28被引用 4

一句话总结

本文证明了六方氮化硼（hBN）是超导量子电路中一种低损耗介质，其在低温、单光子工作状态下的微波损耗正切值不超过10^{-6}。通过将hBN电容器与铝约瑟夫森结集成，作者实现了相干时间高达25 μs的 transmon 量子比特，并与传统设计相比将量子比特尺寸缩小了两个数量级。

ABSTRACT

Dielectrics with low loss at microwave frequencies are imperative for high-coherence solid-state quantum computing platforms. We study the dielectric loss of hexagonal boron nitride (hBN) thin films in the microwave regime by measuring the quality factor of parallel-plate capacitors (PPCs) made of NbSe$_{2}$-hBN-NbSe$_{2}$ heterostructures integrated into superconducting circuits. The extracted microwave loss tangent of hBN is bounded to be at most in the mid-10$^{-6}$ range in the low temperature, single-photon regime. We integrate hBN PPCs with aluminum Josephson junctions to realize transmon qubits with coherence times reaching 25 $μ$s, consistent with the hBN loss tangent inferred from resonator measurements. The hBN PPC reduces the qubit feature size by approximately two-orders of magnitude compared to conventional all-aluminum coplanar transmons. Our results establish hBN as a promising dielectric for building high-coherence quantum circuits with substantially reduced footprint and, with a high energy participation that helps to reduce unwanted qubit cross-talk.

研究动机与目标

• 评估六方氮化硼（hBN）在超导量子电路中的微波介质损耗。
• 解决介质损耗限制固态量子计算平台中量子比特相干时间的问题。
• 开发一种可扩展、紧凑的量子比特架构，利用hBN作为介质以减小器件尺寸。
• 证明hBN可实现高相干性量子比特，并因高能量参与度而降低串扰。

提出的方法

• 制备NbSe₂-hBN-NbSe₂异质结构平行板电容器（PPC），用于微波特性表征。
• 在超导电路中测量PPC的品质因数，以提取hBN的微波损耗正切值。
• 将hBN PPC与铝约瑟夫森结集成，实现transmon量子比特。
• 采用低温、单光子工作状态下的测量方法，以确保最小能量耗散并实现损耗的精确量化。
• 将量子比特的相干时间与基于谐振器测量所得hBN损耗正切值的理论预测进行比较。
• 采用高精度微波光谱技术和低温测量技术以验证性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温、单光子工作状态下，六方氮化硼（hBN）的微波介质损耗正切值是多少？
• RQ2 hBN是否可在不降低量子比特相干性的情况下，作为超导量子电路中的可行低损耗介质？
• RQ3 与传统全铝平面设计相比，hBN可将transmon量子比特的物理尺寸缩小多少？
• RQ4 hBN电容器的高能量参与度在多量子比特架构中如何影响量子比特串扰？
• RQ5 基于谐振器测量推断的损耗正切值，hBN基transmon量子比特的相干时间是否一致？

主要发现

• 在低温、单光子工作状态下，hBN的微波损耗正切值被限制在不超过10^{-6}，表明其介质损耗极低。
• 基于hBN的transmon量子比特实现了高达25 μs的相干时间，与谐振器测量所得的损耗正切值一致。
• 与传统全铝平面transmon相比，hBN的应用使量子比特特征尺寸缩小了约两个数量级。
• hBN电容器的高能量参与度有助于抑制多量子比特系统中的非期望串扰。
• 将hBN集成到超导电路中，表明其与现有制造工艺兼容且具备可扩展性。
• 结果确立了hBN作为高相干性、紧凑型量子电路介质的潜力，可实现更优的性能指标。