論文の概要: Phonon engineering of atomic-scale defects in superconducting quantum circuits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2310.03929v1
• Date: Thu, 5 Oct 2023 22:17:09 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-10-10 06:15:35.358590
• Title: Phonon engineering of atomic-scale defects in superconducting quantum circuits
• Title（参考訳）: 超伝導量子回路における原子スケール欠陥のフォノン工学
• Authors: Mo Chen, John Clai Owens, Harald Putterman, Max Sch\"afer, Oskar Painter
• Abstract要約: トンネル2レベルシステム(TLS)は、量子コンピューティングの分野において、さらに関連性を高めている。 我々は,ナノスケールエンジニアリングによりTLSの特性を直接修正する新しいアプローチを採っている。 我々の研究は、TLSの詳細な調査とコヒーレントな制御の道を開く。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.596598303356484
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Noise within solid-state systems at low temperatures, where many of the degrees of freedom of the host material are frozen out, can typically be traced back to material defects that support low-energy excitations. These defects can take a wide variety of microscopic forms, and for amorphous materials are broadly described using generic models such as the tunneling two-level systems (TLS) model. Although the details of TLS, and their impact on the low-temperature behavior of materials have been studied since the 1970s, these states have recently taken on further relevance in the field of quantum computing, where the limits to the coherence of superconducting microwave quantum circuits are dominated by TLS. Efforts to mitigate the impact of TLS have thus far focused on circuit design, material selection, and material surface treatment. In this work, we take a new approach that seeks to directly modify the properties of TLS through nanoscale-engineering. This is achieved by periodically structuring the host material, forming an acoustic bandgap that suppresses all microwave-frequency phonons in a GHz-wide frequency band around the operating frequency of a transmon qubit superconducting quantum circuit. For embedded TLS that are strongly coupled to the electric qubit, we measure a pronounced increase in relaxation time by two orders of magnitude when the TLS transition frequency lies within the acoustic bandgap, with the longest $T_1$ time exceeding $5$ milliseconds. Our work paves the way for in-depth investigation and coherent control of TLS, which is essential for deepening our understanding of noise in amorphous materials and advancing solid-state quantum devices.
• Abstract（参考訳）: 低温における固体系内のノイズは、ホスト物質の自由度の多くが凍結され、通常低エネルギー励起を支える物質の欠陥に遡ることができる。 これらの欠陥は様々な微視的形態をとることができ、アモルファス材料についてはトンネル型2レベルシステム(tls)モデルのような汎用モデルを用いて広く記述される。 TLSの詳細や、1970年代から材料の低温挙動への影響は研究されているが、これらの状態は最近、超伝導量子量子回路のコヒーレンスに対する限界がTLSに支配される量子コンピューティングの分野におけるさらなる関連性に注目されている。 TLSの影響を軽減する努力は、これまで回路設計、材料選択、材料表面処理に重点を置いてきた。 本研究では,ナノスケール工学を用いてTLSの特性を直接修正する手法を提案する。 これは、ホスト材料を周期的に構造化し、トランスモン量子ビット超伝導量子回路の動作周波数付近のGHz幅の周波数帯におけるすべてのマイクロ波フォノンを抑圧する音響バンドギャップを形成することで達成される。 電気量子ビットに強く結合した組み込みTLSでは、TLS遷移周波数が音響バンドギャップ内にある場合の2桁の緩和時間の顕著な増加を計測し、最長のT_1$時間は5$ミリ秒を超える。 我々の研究は、アモルファス材料におけるノイズの理解を深め、固体量子デバイスを進化させるのに不可欠であるTLSの深い調査とコヒーレント制御の道を開く。

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