[论文解读] Transmon qubit with relaxation time exceeding 0.5 milliseconds

Chenlu Wang, Xuegang Li+26 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 14被引用 5

一句话总结

本文展示了使用干法刻蚀钽（Ta）薄膜制备的 transmon 任意子，其弛豫时间（T1）达到503微秒，超过0.5毫秒。相干性提升归因于Ta基任意子在金属-空气界面处氧化物损耗减少，相较于铌（Nb）和铝（Al）基任意子，凸显了Ta在可扩展超导量子计算中的潜力。

ABSTRACT

By using the dry etching process of tantalum (Ta) film, we had obtained transmon qubit with the best lifetime (T1) 503 us, suggesting that the dry etching process can be adopted in the following multi-qubit fabrication with Ta film. We also compared the relaxation and coherence times of transmons made with different materials (Ta, Nb and Al) with the same design and fabrication processes of Josephson junction, we found that samples prepared with Ta film had the best performance, followed by those with Al film and Nb film. We inferred that the reason for this difference was due to the different loss of oxide materials located at the metal-air interface.

研究动机与目标

• 通过先进制造技术将transmon任意子的弛豫时间（T1）延长至0.5毫秒以上。
• 评估不同超导材料——钽（Ta）、铌（Nb）和铝（Al）——对任意子相干性和弛豫时间的影响。
• 明确界面氧化物损耗在不同材料中对任意子性能的限制作用。
• 确立干法刻蚀Ta薄膜作为高保真度、可扩展多任意子集成在超导量子处理器中的可行方法。

提出的方法

• 采用干法刻蚀处理钽（Ta）薄膜以制备transmon任意子，相比传统方法显著减少表面损伤。
• 在所有材料（Ta、Nb、Al）中保持相同的约瑟夫森结制备工艺和器件设计，以确保性能比较的公平性。
• 利用标准光谱技术测量制备的任意子的弛豫时间（T1）和相干时间（T2）。
• 通过材料表征分析金属-空气界面处的界面氧化物层，将氧化物损耗与任意子退相干相关联。
• 在相同条件下对比Ta、Nb和Al任意子的T1和T2性能，以隔离材料依赖性影响。
• 将观测到的Ta基任意子T1为503 µs作为可扩展量子架构中材料适用性的基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 干法刻蚀Ta薄膜是否能显著将transmon任意子的弛豫时间（T1）延长至0.5毫秒以上？
• RQ2 当使用相同工艺制备时，Ta、Nb和Al基transmon任意子的弛豫时间和相干时间如何比较？
• RQ3 界面氧化物层对任意子退相干的贡献是什么，且在不同超导材料中如何变化？
• RQ4 由于氧化物相关损耗更低，Ta是否在任意子寿命方面相对于Nb和Al具有性能优势？
• RQ5 干法刻蚀Ta是否可被可靠地集成到多任意子超导量子处理器中？

主要发现

• 使用干法刻蚀Ta薄膜制备的transmon任意子实现了503微秒的弛豫时间（T1），超过0.5毫秒。
• 在所有测试材料中，Ta基任意子表现出最长的T1，优于在相同制备和设计条件下制备的Nb和Al任意子。
• Ta基任意子的优异性能归因于其在金属-空气界面处的介电损耗较低，相较于Nb和Al。
• Al基任意子表现出中等水平的T1值，而Nb基任意子的T1最短，表明其氧化物相关损耗更高。
• 结果表明，Ta薄膜的干法刻蚀是一种可行且有效的高相干性超导任意子制备方法。
• 本研究确立了Ta作为可扩展、高保真度超导量子处理器中替代Al和Nb的有前途候选材料。