[论文解读] UCSB final report for the CSQ program: Review of decoherence and materials physics for superconducting qubits

John M. Martinis, A. Megrant|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 26

一句话总结

本文回顾了加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）五年来在超导量子比特退相干方面的研究，识别出非晶态电介质中的两能级态以及非平衡准粒子是主要的退相干来源。通过最小化介电损耗并设计电荷无关的Xmon型量子比特（Xmon设计），该团队实现了创纪录的相干时间，并展示了9量子比特的可扩展操作，且性能无退化，通过材料物理与器件设计的进步推动了实用化量子计算的发展。

ABSTRACT

We review progress at UCSB on understanding the physics of decoherence in superconducting qubits. Although many decoherence mechanisms were studied and fixed in the last 5 years, the most important ones are two-level state defects in amorphous dielectrics, non-equilibrium quasiparticles generated from stray infrared light, and radiation to slotline modes. With improved design, the performance of integrated circuit transmons using the Xmon design are now close to world record performance: these devices have the advantage of retaining coherence when scaled up to 9 qubits.

研究动机与目标

• 理解并缓解超导量子比特中主导的退相干机制，特别是源于材料物理的机制。
• 通过识别并最小化介电材料和准粒子激发中的损耗源，提升相干时间。
• 通过开发如Xmon等量子比特设计，实现在多量子比特系统中保持相干性的可扩展量子计算。
• 为未来量子比特的扩展提供以材料为核心的理论基础，超越单量子比特性能指标。
• 通过系统研究真实材料和器件架构中的退相干，指导可扩展、容错量子处理器的设计。

提出的方法

• 在低温下测量各种非晶态和晶态材料的本征介电损耗正切（tan δ_i），以识别低损耗基板和电介质。
• 采用参与度比分析方法，通过减少能量存储于损耗性电介质中的比例，最小化介电损耗，优先选用真空或低损耗材料。
• 采用三维（3D）Transmon和Xmon量子比特设计，将量子比特与环境噪声隔离，其中Xmon设计优化了可扩展耦合。
• 实施红外滤波和低温运行，以抑制杂散红外辐射引起的非平衡准粒子生成。
• 应用“中微子化”（neutrinoization）概念，解释为何3D Transmon在多量子比特系统中性能退化，而Xmon则不受此影响，原因在于耦合引起的退相干。
• 通过单量子比特和多量子比特系统中的门保真度以及相干时间（T₁、T₂）评估性能，优先采用对可扩展量子计算具有实际意义的指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 超导量子比特中的主导退相干机制是什么？它们如何源于材料物理？
• RQ2 为何3D Transmon在单量子比特中表现出优于Xmon的相干性，却在多量子比特系统中性能更差？
• RQ3 来自杂散红外辐射的非平衡准粒子如何影响量子比特相干性？是否可以有效抑制？
• RQ4 通过材料选择和几何设计，特别是参与度比控制，能在多大程度上最小化介电损耗？
• RQ5 哪些设计原则能够实现超导电路中可扩展、高保真度的多量子比特操作？

主要发现

• 热氧化硅（thermal SiO₂）的本征介电损耗正切（tan δ_i）为300–330 × 10⁻⁶，而蓝宝石（sapphire）的tan δ_i极低，仅为0.02 × 10⁻⁶。
• 特氟龙（Teflon）表现出极低损耗（1–2 × 10⁻⁶），可能源于重氟原子抑制了两能级态的隧穿行为，但因粘附性差而难以实用化。
• Xmon型Transmon设计实现了9量子比特操作，且相干性无退化，证明了其可扩展性；而3D Transmon在多量子比特系统中则表现出性能下降。
• 尽管通过冷却可抑制非平衡准粒子，但其仍为显著的退相干源，尤其在对电荷敏感的量子比特中更为明显。
• 对于电荷无关的Transmon，准粒子引起的退激发仅影响约1–2%的隧穿事件，因此其影响可通过适当滤波手段有效管理。
• 3D Transmon在单量子比特中表现出更优的T₁，但在多量子比特系统中因耦合导致的退相干而性能下降，表明‘中微子化’虽有利于隔离，却阻碍了可扩展性。