[论文解读] Localization and reduction of superconducting quantum coherent circuit losses

M. Virginia P. Altoé, Archan Banerjee+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Photonic and Optical Devices被引用 12

一句话总结

本研究通过后处理蚀刻选择性地改性铌和硅表面氧化物，识别并缓解了超导量子电路中的主要损耗机制。利用共面铌/硅谐振器，作者将TLS损耗降低了85%，非TLS损耗降低了72%，实现了超过500万的记录级单光子品质因数，其中硅氧化物被确定为TLS的主要来源，而铌氧化物则导致非TLS损耗。

ABSTRACT

Quantum sensing and computation can be realized with superconducting microwave circuits. Qubits are engineered quantum systems of capacitors and inductors with non-linear Josephson junctions. They operate in the single-excitation quantum regime, photons of $27 μ$eV at 6.5 GHz. Quantum coherence is fundamentally limited by materials defects, in particular atomic-scale parasitic two-level systems (TLS) in amorphous dielectrics at circuit interfaces.[1] The electric fields driving oscillating charges in quantum circuits resonantly couple to TLS, producing phase noise and dissipation. We use coplanar niobium-on-silicon superconducting resonators to probe decoherence in quantum circuits. By selectively modifying interface dielectrics, we show that most TLS losses come from the silicon surface oxide, and most non-TLS losses are distributed throughout the niobium surface oxide. Through post-fabrication interface modification we reduced TLS losses by 85% and non-TLS losses by 72%, obtaining record single-photon resonator quality factors above 5 million and approaching a regime where non-TLS losses are dominant. [1]Müller, C., Cole, J. H. & Lisenfeld, J. Towards understanding two-level-systems in amorphous solids: insights from quantum circuits. Rep. Prog. Phys. 82, 124501 (2019)

研究动机与目标

• 识别超导量子电路中退相干的主要来源。
• 确定来自不同界面材料的两能级系统（TLS）和非TLS损耗的相对贡献。
• 通过有针对性的后处理界面工程降低整体电路损耗。
• 通过抑制关键损耗通道，在单光子谐振器中实现记录级品质因数。

提出的方法

• 使用缓冲氧化物蚀刻（BOE）对铌/硅共面波导（CPW）谐振器进行后处理蚀刻，选择性地改性表面氧化物。
• 利用X射线光电子能谱（XPS）量化蚀刻后铌和硅氧化物的厚度及化学态。
• 采用扫描透射电子显微镜（STEM）结合EDS和EELS，对界面进行纳米级和埃级分辨率的元素与化学态分布成像。
• 利用微波反射测量技术测量谐振器品质因数（Q）并提取温度和光子数范围内的损耗参数。
• 应用标准隧穿模型（STM）拟合温度和功率相关的损耗数据，包括显示TLS-TLS相互作用的偏差。
• 系统比较多个具有不同蚀刻时间的芯片的损耗贡献，以分离SiOx和NbOx层的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超导谐振器中，哪种界面氧化物——硅或铌——主导了两能级系统（TLS）损耗？
• RQ2 铌和硅表面氧化物导致的非TLS损耗的相对贡献是多少？
• RQ3 后处理蚀刻工艺如何改变谐振器界面的化学和形貌结构？
• RQ4 通过选择性界面工程，TLS和非TLS损耗最多可降低多少？
• RQ5 界面改性对单光子状态下谐振器品质因数的影响如何？

主要发现

• 通过1200秒的BOE蚀刻，TLS损耗降低了85%，其中硅表面氧化物被确定为主要的TLS来源。
• 通过相同蚀刻工艺，非TLS损耗降低了72%，表明铌表面氧化物是导致非TLS耗散的主要因素。
• 实现了超过500万的记录级单光子品质因数，接近非TLS损耗占主导的区域。
• XPS和STEM分析证实，铌氧化物厚度随蚀刻时间单调减少，而硅氧化物厚度因环境暴露在不同芯片间存在差异。
• 部分谐振器中标准隧穿模型出现偏差，β ≈ 0.25，表明存在由TLS-TLS相互作用引起的TLS能量扩散。
• 重复测量显示谐振器的Q因子存在波动，表明对环境或局部结构变化仍存在残余敏感性。