論文の概要: Compact superconducting vacuum-gap capacitors with low microwave loss and high mechanical coherence for scalable quantum circuits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2501.03211v1
• Date: Mon, 06 Jan 2025 18:45:46 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-01-07 17:05:53.837770
• Title: Compact superconducting vacuum-gap capacitors with low microwave loss and high mechanical coherence for scalable quantum circuits
• Title（参考訳）: スケーラブル量子回路用小型超伝導真空ギャップコンデンサの低マイクロ波損失と高機械的コヒーレンス
• Authors: Amir Youssefi, Mahdi Chegnizadeh, Marco Scigliuzzo, Tobias J. Kippenberg,
• Abstract要約: 拡張性真空ギャップコンデンサの詳細な製造法を提案する。 これらのコンデンサは超高コヒーレンス機械運動をサポートし、マイクロ波損失が低く、フットプリントも小さい。 これらの真空ギャップコンデンサは、超伝導量子ビットと機械システムとの結合に期待できる候補である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: Vacuum gap capacitors have recently gained considerable attention in superconducting circuit platforms due to their compact design and low dielectric losses in the microwave regime. Their ability to support mechanical vibrational modes makes them ideal candidates for circuit optomechanics. However, precise control of gap size and achieving high coherence in mechanical modes remain long-standing challenges. Here, we present a detailed fabrication process for scalable vacuum gap capacitors that support ultra-high-coherence mechanical motion, exhibit low microwave loss, and maintain a small footprint compared to planar geometries. We fabricate arrays of up to 24 LC resonators, with capacitors featuring nanometer-scale gap size variations. We demonstrate that the mechanical quality factors can reach up to $40 \times 10^6$, a 100-fold improvement over other platforms, with microwave quality factors $\mathcal{O}(10^5)$ at low photon number levels. This platform also achieves a sizable single-photon optomechanical coupling rate of approximately 20 Hz. Using this, we cooled the mechanical oscillator to its ground state (0.07 quanta) and squeezed its motion below the vacuum level by 2.7 dB. We further demonstrate the scalability of this platform by implementing large-scale optomechanical arrays, a strained graphene model, and observing quantum collective phenomena in a mechanical hexamer. These vacuum gap capacitors are promising candidates for coupling superconducting qubits with mechanical systems, serving as storage elements in quantum computing, and exploring gravitational effects on quantum mechanics.
• Abstract（参考訳）: 真空ギャップコンデンサは、そのコンパクトな設計とマイクロ波状態における誘電損失の低さにより、超伝導回路のプラットフォームにおいて近年大きな注目を集めている。 機械振動モードをサポートする能力は、回路光学の理想的な候補となる。 しかしながら、メカニカルモードにおけるギャップサイズを正確に制御し、高いコヒーレンスを達成することは、長年にわたる課題である。 本稿では,超高コヒーレンスなメカニカル・ムーブメントをサポートし,マイクロ波損失が低く,平面ジオメトリに比べてフットプリントが小さい,スケーラブルな真空ギャップコンデンサの詳細な製造法を提案する。 我々は、最大24個のLC共振器のアレイを作製し、キャパシタはナノメートルスケールのギャップサイズを特徴とする。 マイクロ波品質係数$\mathcal{O}(10^5)$を低光子数レベルで測定することにより,機械的品質係数が40 \times 10^6$に到達できることを実証した。 このプラットフォームは、約20Hzの単一光子光学的カップリング速度も達成している。 これを用いて, 機械振動子をその基底状態 (0.07 Quanta) に冷却し, 真空下を2.7dB圧縮した。 さらに, 大規模オプティメカルアレイ, ひずみグラフェンモデル, 量子集合現象をメカニカルヘキサマーで観測することで, このプラットフォームのスケーラビリティを実証する。 これらの真空ギャップコンデンサは、超伝導量子ビットと機械システムとを結合し、量子コンピューティングの記憶要素として機能し、量子力学における重力効果を探索するための候補となる。

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