[论文解读] Stability of superconducting resonators: motional narrowing and the role of Landau-Zener driving of two-level defects

David Niepce, Jonathan Burnett+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2020

Superconducting and THz Device Technology参考文献 76被引用 23

一句话总结

本研究探讨了由于两能级系统（TLS）缺陷引起的超导谐振器频率不稳定现象，表明通过谐振器微波场对TLS进行协同驱动所导致的运动窄化效应，可在高功率下减少频率抖动。主导TLS涨落器的切换速率遵循幂律依赖关系，与准经典Landau-Zener跃迁一致，揭示了尽管NbN纳米线、Al平面波导和Al三维腔谐振器在几何结构和材料上各不相同，但其动力学行为具有普遍性。

ABSTRACT

Frequency instability of superconducting resonators and qubits leads to dephasing and time-varying energy-loss and hinders quantum-processor tune-up. Its main source is dielectric noise originating in surface oxides. Thorough noise studies are needed in order to develop a comprehensive understanding and mitigation strategy of these fluctuations. Here we use a frequency-locked loop to track the resonant-frequency jitter of three different resonator types---one niobium-nitride superinductor, one aluminium coplanar waveguide, and one aluminium cavity---and we observe strikingly similar random-telegraph-signal fluctuations. At low microwave drive power, the resonators exhibit multiple, unstable frequency positions, which for increasing power coalesce into one frequency due to motional narrowing caused by sympathetic driving of individual two-level-system defects by the resonator. In all three devices we probe a dominant fluctuator, finding that its amplitude saturates with increasing drive power, but its characteristic switching rate follows the power-law dependence of quasiclassical Landau-Zener transitions.

研究动机与目标

• 理解超导谐振器中频率不稳定性的起源，这是量子处理器校准中的关键挑战。
• 确定介电噪声（来自两能级系统TLS）是否在不同类型的谐振器中主导频率抖动。
• 研究微波驱动在通过运动窄化抑制TLS诱导涨落中的作用。
• 量化TLS切换速率的功率依赖性，并检验其在不同超导器件中与Landau-Zener理论的一致性。

提出的方法

• 采用频率锁相环测量在100 Hz采样率下持续2.75小时的谐振频率抖动。
• 使用Welch功率谱密度和重叠的Allan偏差分析时间波动并提取切换动力学。
• 在不同微波驱动功率（⟨n⟩从~3×10⁻²到~715光子）下绘制频率抖动直方图，观察运动窄化现象。
• 使用通用模型拟合RTS噪声特征，提取切换速率并比较幂律标度。
• 应用准经典Landau-Zener理论解释TLS切换速率的幂律依赖性。
• 对比三种不同类型的谐振器：NbN纳米线（Tc=7.2 K）、Al平面波导（Tc=1.05 K）和Al三维腔（Tc=1.18 K），所有样品均在10 mK下运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于谐振器驱动引起的运动窄化是否能抑制不同超导谐振器中单个TLS缺陷引起的频率抖动？
• RQ2 在微波驱动下，不同谐振器类型中主导TLS涨落器的切换速率是否与准经典Landau-Zener跃迁一致？
• RQ3 TLS诱导的频率抖动的幅度和切换速率在不同几何结构和材料的谐振器中如何随微波驱动功率变化？
• RQ4 表面氧化物引起的介电噪声在超导谐振器频率不稳定中占多大程度的主导作用？
• RQ5 在具有显著差异的动能电感、电场分布和品质因数的谐振器中，能否观察到TLS切换速率的普遍幂律依赖性？

主要发现

• 在低微波驱动功率下，谐振器因单个TLS缺陷引起的随机电报信号（RTS）波动而表现出多个离散的频率位置。
• 随着驱动功率增加，频率抖动减小，多个频率态合并为单一峰值，表现为运动窄化。
• 频率波动的幅度随功率增加趋于饱和，表明主导TLS的贡献达到最大值。
• 主导TLS的切换速率遵循与准经典Landau-Zener跃迁一致的幂律依赖关系，所有三种谐振器类型的标度指数约为0.5–0.8。
• 尽管几何结构、材料和内部品质因数（Qi）存在差异，TLS切换速率的幂律标度在NbN纳米线、Al平面波导和Al三维腔谐振器中表现出惊人的一致性。
• Allan偏差和功率谱密度分析证实了器件间存在共同的噪声特征，随着驱动功率增加，主导RTS特征向更高频率（更短时间尺度）移动。