[论文解读] Relaxation and Dephasing in a Flux-qubit

Patrice Bertet, I. Chiorescu+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2004

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用 14

一句话总结

该论文表明，通过结合两种退相干抑制策略，超导电路中的通量任意子可以实现长相干时间：一是使量子比特在频率对控制参数不敏感的最优工作点（ε = 0）下运行，二是通过将SQUID探测器偏置在特定电流 I_b^* 处，使量子比特与电流噪声解耦。在该解耦最优工作点下，测得的自旋回波衰减时间最高达4 μs，显著优于以往结果。

ABSTRACT

We report detailed measurements of the relaxation and dephasing time in a flux-qubit measured by a switching DC SQUID. We studied their dependence on the two important circuit bias parameters: the externally applied magnetic flux and the bias current through the SQUID in two samples. We demonstrate two complementary strategies to protect the qubit from these decoherence sources. One consists in biasing the qubit so that its resonance frequency is stationary with respect to the control parameters ({\it optimal point}) ; the second consists in {\it decoupling} the qubit from current noise by chosing a proper bias current through the SQUID. At the decoupled optimal point, we measured long spin-echo decay times of up to $4 μs$.

研究动机与目标

• 识别并量化通量任意子中主导的退相干机制，特别是弛豫和退相干。
• 证明最优工作点策略——即量子比特频率对控制参数的导数为零——可抑制通量任意子中的退相干，如先前在量子单子系统中所展示的那样。
• 提出并验证第二种策略：通过选择特定偏置电流 I_b^*，使量子比特与SQUID探测器中的电流噪声解耦。
• 表明结合两种策略——最优工作点与电流噪声解耦——可显著提升相干时间。
• 提供定量证据，表明SQUID探测器等离子体模式中的热涨落是纯退相干的主要来源。

提出的方法

• 量子比特为具有三个约瑟夫森结的通量子类型器件，位于超导环中，通过调节接近 γ_Q = π 来定义两能级系统。
• 量子比特通过电感耦合至一个可调偏置电流 I_b 的直流SQUID探测器，从而可调控有效磁通和电流噪声耦合。
• 量子比特的共振频率 f_Q 依赖于 ε = (I_p/e)(γ_Q - π)/(2π)，对外部磁通 Φ_x 和SQUID偏置电流 I_b 敏感。
• 最优工作点定义为 ε = 0，此时 df_Q/dε = 0，使频率对磁通噪声的敏感性最小化。
• 通过设置 I_b = I_b^* 实现解耦条件，此时 dλ/dI_b = 0，使对电流噪声的敏感性最小化。
• 采用可变 π/2 脉冲间延迟的自旋回波序列测量 T_echo，通过拟合回波幅度衰减以提取 T_echo 和 T_φ^echo。

实验结果

研究问题

• RQ1 弛豫和退相干的主要来源是什么？它们如何依赖于偏置参数？
• RQ2 最优工作点策略（ε = 0）是否能像在量子单子电路中那样有效抑制通量任意子中的退相干？
• RQ3 能否通过将SQUID偏置电流 I_b 调节至 I_b^*，使量子比特与SQUID探测器中的电流噪声解耦？
• RQ4 SQUID等离子体模式中的热涨落对相干性的限制作用是什么？
• RQ5 当同时应用最优工作点与电流噪声解耦时，测得的相干时间如何比较？

主要发现

• 在解耦最优工作点（ε = 0 且 I_b = I_b^*）下，测得的自旋回波衰减时间 T_echo 最高达 3.9 ± 0.1 μs，显著优于以往结果。
• 能量弛豫主要由测量电路阻抗中的自发辐射引起，T_1 在样品B中远离 I_b^* 时显著减小，表明与电路存在耦合。
• 在最优工作点下，当 I_b ≠ I_b^* 时，退相干受电流噪声限制，如样品A中 T_2 对 I_b 的强依赖性所示。
• 在样品B中，纯退相干时间 T_φ^echo 受SQUID等离子体模式中热涨落限制，理论模拟显示定性一致，但相干时间被高估约5倍。
• 在样品B中增加第四个结提高了对称性并降低了所需的 I_b^*，从而增强了电流噪声解耦的有效性。
• 结果证实，最优工作点与电流噪声解耦两种策略均有效，联合使用可实现当时通量任意子中观测到的最长相干时间。