論文の概要: Systematic Improvements in Transmon Qubit Coherence Enabled by Niobium Surface Encapsulation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2304.13257v3
• Date: Wed, 24 Jan 2024 23:22:47 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-01-26 18:38:43.365710
• Title: Systematic Improvements in Transmon Qubit Coherence Enabled by Niobium Surface Encapsulation
• Title（参考訳）: ニオブ表面カプセル化によるトランスモン量子コヒーレンスの系統的改善
• Authors: Mustafa Bal, Akshay A. Murthy, Shaojiang Zhu, Francesco Crisa, Xinyuan You, Ziwen Huang, Tanay Roy, Jaeyel Lee, David van Zanten, Roman Pilipenko, Ivan Nekrashevich, Andrei Lunin, Daniel Bafia, Yulia Krasnikova, Cameron J. Kopas, Ella O. Lachman, Duncan Miller, Josh Y. Mutus, Matthew J. Reagor, Hilal Cansizoglu, Jayss Marshall, David P. Pappas, Kim Vu, Kameshwar Yadavalli, Jin-Su Oh, Lin Zhou, Matthew J. Kramer, Florent Q. Lecocq, Dominic P. Goronzy, Carlos G. Torres-Castanedo, Graham Pritchard, Vinayak P. Dravid, James M. Rondinelli, Michael J. Bedzyk, Mark C. Hersam, John Zasadzinski, Jens Koch, James A. Sauls, Alexander Romanenko, and Anna Grassellino
• Abstract要約: 緩和時間を体系的に改善するトランスモンキュービット製造技術を提案する。 我々はニオブの表面を通過させるカプセル化戦略を用いてデバイスを作製した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 25.617374322523048
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: We present a novel transmon qubit fabrication technique that yields systematic improvements in T$_1$ relaxation times. We fabricate devices using an encapsulation strategy that involves passivating the surface of niobium and thereby preventing the formation of its lossy surface oxide. By maintaining the same superconducting metal and only varying the surface structure, this comparative investigation examining different capping materials, such as tantalum, aluminum, titanium nitride, and gold, and film substrates across different qubit foundries definitively demonstrates the detrimental impact that niobium oxides have on the coherence times of superconducting qubits, compared to native oxides of tantalum, aluminum or titanium nitride. Our surface-encapsulated niobium qubit devices exhibit T$_1$ relaxation times 2 to 5 times longer than baseline niobium qubit devices with native niobium oxides. When capping niobium with tantalum, we obtain median qubit lifetimes above 300 microseconds, with maximum values up to 600 microseconds, that represent the highest lifetimes to date for superconducting qubits prepared on both sapphire and silicon. Our comparative structural and chemical analysis suggests why amorphous niobium oxides may induce higher losses compared to other amorphous oxides. These results are in line with high-accuracy measurements of the niobium oxide loss tangent obtained with ultra-high Q superconducting radiofrequency (SRF) cavities. This new surface encapsulation strategy enables even further reduction of dielectric losses via passivation with ambient-stable materials, while preserving fabrication and scalable manufacturability thanks to the compatibility with silicon processes.
• Abstract（参考訳）: 本稿では,T$_1$緩和時間を体系的に改善するトランスモンキュービット製造手法を提案する。 我々は, ニオブの表面を緩和し, 損失表面の酸化物の形成を阻害するカプセル化戦略を用いて, デバイスを作製した。 同じ超伝導金属を維持し, 表面構造だけを変化させることにより, タンタル, アルミニウム, 窒化チタン, および金などの異なるキャッピング材料, および様々なクビットファストリーの膜基板を観察し, ニオブ酸化物が超伝導クビットのコヒーレンス時間に与える影響を, タンタル, アルミニウム, 窒化チタンのネイティブ酸化物と比較して明らかに実証した。 表面封入したニオブキュービット装置は, ネイティブなニオブ酸化物を用いたベースラインニオブキュービット装置の2倍から5倍の緩和時間を示す。 ニオブをタンタルで包むと、サファイアとシリコンの両方で作製された超伝導量子ビットの最大寿命を示す最大600マイクロ秒の300マイクロ秒を超える中央の量子ビット寿命が得られる。 アモルファス酸化ニオブが他のアモルファス酸化物よりも高い損失を生じさせる理由を、構造的および化学的に比較検討した。 これらの結果は,超高Q超伝導ラジオ周波数(SRF)キャビティで得られた酸化ニオブ損失タンジェントの高精度測定と一致した。 この新しい表面カプセル化戦略は、シリコンプロセスとの互換性により製造とスケーラブルな製造性を維持しつつ、環境安定材料によるパッシベーションによる誘電損失のさらなる低減を可能にする。

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