[论文解读] Noise correlations in a flux qubit with tunable tunnel coupling

Simon Gustavsson, Jonas Bylander+4 more|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|Apr 27, 2011

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

本研究通过测量在两个独立控制的磁通环上可调超导磁通量子比特中的磁通噪声相关性，利用不同偏置点的退相干率测量，提取了噪声相关性的符号与幅度。研究发现两个磁通环之间的磁通涨落存在强烈反相关性，支持一种噪声源于金属表面随机取向的未配对自旋的模型。

ABSTRACT

We have measured flux-noise correlations in a tunable superconducting flux qubit. The device consists of two loops that independently control the qubit's energy splitting and tunnel coupling. Low frequency flux noise in the loops causes fluctuations of the qubit frequency and leads to dephasing. Since the noises in the two loops couple to different terms of the qubit Hamiltonian, a measurement of the dephasing rate at different bias points provides a way to extract both the amplitude and the sign of the noise correlations. We find that the flux fluctuations in the two loops are anti-correlated, consistent with a model where the flux noise is generated by randomly oriented unpaired spins on the metal surface.

研究动机与目标

• 研究限制超导量子比特相干性的低频磁通噪声的起源。
• 确定量子比特不同部分的磁通噪声是否相关或反相关。
• 利用可调量子比特参数提取噪声相关性的符号与幅度。
• 检验磁通噪声源于金属表面随机取向未配对自旋的假设。
• 提供一种通用方法，通过退相干测量探测超导量子比特中的噪声动力学。

提出的方法

• 量子比特设计包含两个磁通环：一个控制能级分裂（ε），另一个控制隧穿耦合（Δ），从而实现对量子比特参数的独立调节。
• 利用拉比曼干涉测量技术探测相干性，测量退相干率随两个磁通环中磁通偏置的变化。
• 定义有效磁通 f_z 和 f_x，以将物理磁通 f1 和 f2 与量子比特哈密顿量参数关联起来。
• 通过将测得的退相干率拟合至涉及谱密度 S_f(ω) ∝ 1/|ω| 的模型，提取噪声相关系数。
• 通过哈密顿量中纵向（ε）与横向（Δ）项对两个磁通的不同耦合方式，确定相关性的符号。
• 采用表面自旋模型解释结果，假设共享线段上的自旋产生反相关的磁通噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 超导量子比特不同部分的磁通涨落是否相关或反相关？
• RQ2 能否通过量子比特退相干测量实验确定噪声相关性的符号？
• RQ3 所观测到的反相关性是否支持低频磁通噪声起源于表面自旋的假设？
• RQ4 磁通噪声的幅度与相关系数如何依赖于量子比特环的几何结构？
• RQ5 该方法是否可推广用于探测超导电路中表面自旋系统的动力学？

主要发现

• 两个磁通环中的磁通噪声表现出强烈的反相关性，测得的相关系数为 c12 = -0.55。
• 该反相关性排除了噪声源于全局磁场的可能性，因为后者将导致正相关性。
• 测得的相关系数绝对值大于简单几何自旋模型预测的 c12 = -0.37，表明噪声机制中存在额外的复杂性。
• 两个磁通环的噪声谱分别为 S_f1(ω) ∝ 1/|ω|，幅度 A1 = (4.5 μΦ₀)²；S_f2(ω) ∝ 1/|ω|，幅度 A2 = (3.1 μΦ₀)²。
• 结果与磁通噪声源于金属表面随机取向未配对自旋的模型一致，尤其在共享线段处。
• 该方法可同时提取噪声相关性的幅度与符号，为探测超导量子比特中微观噪声源提供了一般性工具。