論文の概要: Precision measurement of the microwave dielectric loss of sapphire in the quantum regime with parts-per-billion sensitivity

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2206.14334v1
• Date: Wed, 29 Jun 2022 00:14:11 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-02-07 07:43:04.274920
• Title: Precision measurement of the microwave dielectric loss of sapphire in the quantum regime with parts-per-billion sensitivity
• Title（参考訳）: 数十億単位の感度を持つ量子状態におけるサファイアのマイクロ波誘電損失の精密測定
• Authors: Alexander P. Read, Benjamin J. Chapman, Chan U Lei, Jacob C. Curtis, Suhas Ganjam, Lev Krayzman, Luigi Frunzio, Robert J. Schoelkopf
• Abstract要約: 誘電損失は、最先端の超伝導量子ビット寿命を制限することが知られている。 最近の実験は、バルク誘電体損失接地における1ビリオンあたりの部品100ドルという上限を示唆している。 本研究では, バルク誘電体損失を高感度で分離し, 解消する測定法を考案した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 50.591267188664666
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Dielectric loss is known to limit state-of-the-art superconducting qubit lifetimes. Recent experiments imply upper bounds on bulk dielectric loss tangents on the order of $100$ parts-per-billion, but because these inferences are drawn from fully fabricated devices with many loss channels, they do not definitively implicate or exonerate the dielectric. To resolve this ambiguity, we have devised a measurement method capable of separating and resolving bulk dielectric loss with a sensitivity at the level of $5$ parts-per-billion. The method, which we call the dielectric dipper, involves the in-situ insertion of a dielectric sample into a high-quality microwave cavity mode. Smoothly varying the sample's participation in the cavity mode enables a differential measurement of the sample's dielectric loss tangent. The dielectric dipper can probe the low-power behavior of dielectrics at cryogenic temperatures, and does so without the need for any lithographic process, enabling controlled comparisons of substrate materials and processing techniques. We demonstrate the method with measurements of EFG sapphire, from which we infer a bulk loss tangent of $62(7) \times 10^{-9}$ and a substrate-air interface loss tangent of $12(2) \times 10^{-4}$. For a typical transmon, this bulk loss tangent would limit device quality factors to less than $20$ million, suggesting that bulk loss is likely the dominant loss mechanism in the longest-lived transmons on sapphire. We also demonstrate this method on HEMEX sapphire and bound its bulk loss tangent to be less than $15(5) \times 10^{-9}$. As this bound is about four times smaller than the bulk loss tangent of EFG sapphire, use of HEMEX sapphire as a substrate would lift the bulk dielectric coherence limit of a typical transmon qubit to several milliseconds.
• Abstract（参考訳）: 誘電損失は、最先端の超伝導クビット寿命を制限することで知られている。 最近の実験は、バルク誘電体損失タンジェントを1ビリオン当たり100ドルで上界させるが、これらの推論は、多くの損失チャネルを持つ完全に製造されたデバイスから引き出されるため、誘電体を確実に含まない。 この曖昧さを解消するために,大容量誘電体損失を1億分の5ドル程度の感度で分離・解決できる測定法を考案した。 誘電ディッパーと呼ばれるこの方法は、誘電体試料を高品質マイクロ波共振器モードにその場で挿入することを含む。 試料のキャビティモードへの参加を滑らかに変化させることで、試料の誘電損失タンジェントの差分測定が可能になる。 誘電ディッパーは極低温における誘電体の低消費電力挙動を探究することができ、リソグラフィーのプロセスを必要としないため、基板材料と加工技術の制御的な比較が可能となる。 本研究では, EFG sapphireの測定値を用いて, 62(7) \times 10^{-9}$および12(2) \times 10^{-4}$の基板-空気界面損失接点を推定した。 典型的なトランスモンの場合、このバルク損失はデバイスの品質要因を2000万ドル未満に制限し、サファイア上で最長のトランスモンにおいてバルク損失が支配的な損失メカニズムである可能性が示唆される。 また, この手法をHEMEXサファイア上で実証し, バルク損失接点を15(5) \times 10^{-9}$以下に制限する。 この境界は、EFGサファイアのバルクロスタンジェントより約4倍小さいため、基板としてのHEMEXサファイアの使用は、典型的なトランモン量子ビットのバルク誘電体コヒーレンス限界を数ミリ秒に引き上げる。

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