[论文解读] Integration of selectively grown topological insulator nanoribbons in superconducting quantum circuits

Tobias Schmitt, M. R. Connolly+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本文通过选择性区域外延和局部掩膜光刻技术，实现了将纳米尺度拓扑绝缘体纳米带集成到毫米级超导量子电路中。该技术实现了与拓扑绝缘体并联的量子比特耦合的片上微波腔，揭示了非线性量子比特行为，并证实了其与超导微波应用的兼容性。

ABSTRACT

We report on the precise integration of nm-scale topological insulator Josephson junctions into mm-scale superconducting quantum circuits via selective area epitaxy and local stencil lithography. By studying dielectric losses of superconducting microwave resonators fabricated on top of our selective area growth mask, we verify the compatibility of this in situ technique with microwave applications. We probe the microwave response of on-chip microwave cavities coupled to topological insulator-shunted superconducting qubit devices and observe a power dependence that indicates nonlinear qubit behaviour. Our method enables integration of complex networks of topological insulator nanostructures into superconducting circuits, paving the way for both novel voltage-controlled Josephson and topological qubits.

研究动机与目标

• 开发一种将拓扑绝缘体纳米结构集成到超导量子电路中的可扩展方法。
• 实现在毫米级量子器件中对纳米尺度拓扑绝缘体约瑟夫森结的精确位置定位。
• 通过介电损耗测量验证集成技术与超导微波应用的兼容性。
• 研究片上微波腔与拓扑绝缘体并联的量子比特之间的非线性微波响应。
• 为基于拓扑绝缘体的量子比特复杂网络在超导量子架构中的实现铺平道路。

提出的方法

• 采用选择性区域外延技术，在预设掩膜上以原子精度生长拓扑绝缘体纳米带。
• 利用局部掩膜光刻技术，实现纳米带相对于超导电路元件的精确定位。
• 在生长掩膜上制备的微波谐振器上进行介电损耗测量，以评估材料兼容性。
• 将片上微波腔与拓扑绝缘体并联的超导量子比特耦合，用于微波响应表征。
• 测量功率依赖的微波响应，以探测量子比特系统中的非线性行为。
• 集成过程为原位工艺，保持材料完整性并支持与量子电路的直接耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过可扩展的制造技术，精确地将拓扑绝缘体纳米带集成到毫米级超导量子电路中？
• RQ2 集成过程中使用的选择性区域外延掩膜的微波兼容性如何？
• RQ3 与拓扑绝缘体并联的量子比特耦合的片上微波腔，在不同功率水平下的微波响应行为如何？
• RQ4 该集成方法能否支持在超导电路中形成复杂的拓扑绝缘体纳米结构网络？
• RQ5 有哪些证据表明该方法可实现电压控制的约瑟夫森和拓扑量子比特？

主要发现

• 在生长掩膜上制备的谐振器上进行的介电损耗测量，证实了选择性区域外延技术与超导微波应用的兼容性。
• 在与拓扑绝缘体并联的量子比特耦合的片上微波腔中观察到功率依赖的微波响应，表明存在非线性量子比特行为。
• 该集成方法实现了在超导电路中对纳米尺度拓扑绝缘体约瑟夫森结的精确放置。
• 原位制备工艺保持了材料质量，并支持与量子器件的直接耦合。
• 该方法为在可扩展的超导量子电路中实现电压控制的约瑟夫森和拓扑量子比特开辟了新途径。
• 该技术具有可扩展性，适用于在量子电路中构建复杂的拓扑绝缘体纳米结构网络。