論文の概要: Nonequilibrium Quasiparticles in Superconducting Circuits: Energy Relaxation, Charge and Flux Noise

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2407.21177v4
• Date: Thu, 19 Jun 2025 22:48:22 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-23 14:57:50.793478
• Title: Nonequilibrium Quasiparticles in Superconducting Circuits: Energy Relaxation, Charge and Flux Noise
• Title（参考訳）: 超伝導回路における非平衡準粒子:エネルギー緩和、電荷、磁束ノイズ
• Authors: José Alberto Nava Aquino, Rogério de Sousa,
• Abstract要約: ジョセフソン接合を横切る過剰な準粒子のトンネルは超伝導量子ビットにおける主要な損失とデコヒーレンス機構の1つとして認識されている。 準粒子からの電荷ノイズは対数周波数のフラックスノイズを引き起こし、フラックス量子ビットで観測されるフラックスノイズに匹敵する「ほぼ白い」寄与をもたらすことを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: The quasiparticle density observed in low-temperature superconducting circuits is several orders of magnitude larger than the value expected at thermal equilibrium. The tunneling of this excess of quasiparticles across Josephson junctions is recognized as one of the main loss and decoherence mechanisms in superconducting qubits. Here we present a unified impedance theory that accounts for quasiparticle energy loss in circuit regions both far and near (across) junctions. Our theory leverages the recent experimental demonstration that the excess quasiparticles are in \emph{quasiequilibrium} [T. Connolly et al., Phys. Rev. Lett. $\textbf{132}$, 217001 (2024)] and uses a generalized fluctuation-dissipation theorem to predict the amount of charge and flux noise generated by them. We compute the resulting energy relaxation time $T_1$ in transmon qubits with and without junction asymmetric gap engineering, and show that quasiparticles residing away from junctions can play a dominant role in the former case. They also may provide an upper limit for resonator quality factors if the density of amorphous two-level systems is reduced. In addition, we show that charge noise from quasiparticles leads to flux noise that is logarithmic-in-frequency, giving rise to a ``nearly white" contribution that is comparable to the flux noise observed in flux qubits. This contrasts with amorphous two-level systems, whose associated flux noise is shown to be superOhmic. \Addition{We discuss how this quasiparticle flux noise can limit $T_2^{*}$ coherence times in flux-tunable qubits. The final conclusion is that asymmetric gap engineering can greatly reduce noise and increase coherence times in superconducting qubits.
• Abstract（参考訳）: 低温超伝導回路で観測される準粒子密度は、熱平衡で期待される値よりも数桁大きい。 ジョセフソン接合部におけるこの過剰な準粒子のトンネルは超伝導量子ビットにおける主要な損失と脱コヒーレンス機構の1つとして認識されている。 ここでは、回路領域における準粒子エネルギー損失を、遠方および近方(交差)接合の両方で考慮する統一インピーダンス理論を示す。 我々の理論は、過剰な準粒子が \emph{quasiequilibrium} [T。 Connolly et al , Phys。 Rev. Lett. $\textbf{132}$, 217001 (2024)] で、一般化されたゆらぎ散逸定理を用いて、それらによって生じる電荷の量とフラックスノイズを予測する。 我々は、接合非対称ギャップ工学によるトランモン量子ビットにおけるエネルギー緩和時間$T_1$を計算し、接合から離れた準粒子が前者において支配的な役割を果たすことを示す。 また、アモルファス二段系の密度が低下した場合、共振器の品質係数に上限を与えることもできる。 さらに、準粒子からの電荷ノイズは対数周波数のフラックスノイズを生じさせ、フラックス量子ビットで観測されるフラックスノイズに匹敵する「近白色」の寄与をもたらすことを示した。 これは、関連するフラックスノイズが超音速であることが示されるアモルファスな2レベルシステムとは対照的である。 この準粒子フラックスノイズが、フラックス可変量子ビットにおけるコヒーレンス時間を$T_2^{*}$に制限する方法について論じる。 最終的な結論は、非対称ギャップ工学は超伝導量子ビットにおけるノイズを大幅に低減し、コヒーレンス時間を増加させることができるということである。

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