論文の概要: Broadband and high-precision two-level system loss measurement using superconducting multi-wave resonators

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.08130v1
• Date: Mon, 09 Jun 2025 18:33:46 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-11 15:11:40.371101
• Title: Broadband and high-precision two-level system loss measurement using superconducting multi-wave resonators
• Title（参考訳）: 超伝導マルチウェーブ共振器を用いた広帯域・高精度2レベルシステム損失測定
• Authors: Cliff Chen, Shahriar Aghaeimeibodi, Yuki Sato, Matthew H. Matheny, Oskar Painter, Jiansong Gao,
• Abstract要約: 2レベル系(TLS)は超伝導量子ビットにおける散逸と脱コヒーレンスの主要な原因として知られている。 量子状態における共振器のTLSによる損失を正確に測定することは、低信号-雑音比(SNR)とTLSの時間的変動のために困難である。 我々は、共振器長を標準のクォーター波$lambda/4$から$Nlambda/4$へと拡張するマルチウェーブ共振器装置を開発し、6GHzで$N = 37$となる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.29687381456163997
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Two-level systems (TLS) are known to be a dominant source of dissipation and decoherence in superconducting qubits. Superconducting resonators provide a convenient way to study TLS-induced loss due to easier design and fabrication in comparison to devices that include non-linear elements. However, accurately measuring TLS-induced loss in a resonator in the quantum regime is challenging due to low signal-to-noise ratio (SNR) and the temporal fluctuations of the TLS, leading to uncertainties of 30% or more. To address these limitations, we develop a multi-wave resonator device that extends the resonator length from a standard quarter-wave $\lambda/4$ to $N\lambda/4$ where $N = 37$ at 6GHz. This design provides two key advantages: the TLS-induced fluctuations are reduced by a factor of $\sqrt{N}$ due to spatial averaging over an increased number of independent TLS, and the measurement SNR for a given intra-resonator energy density improves by a factor of $\sqrt{N}$. The multi-wave resonator also has fundamental and harmonic resonances that allow one to study the frequency dependence of TLS-induced loss. In this work we fabricate both multi-wave and quarter-wave coplanar waveguide resonators formed from thin-film aluminum on a silicon substrate, and characterize their TLS properties at both 10mK and 200mK. Our results show that the power-dependent TLS-induced loss measured from both types of resonators agree well, with the multi-wave resonators achieving a five-fold reduction in measurement uncertainty due to TLS fluctuations, down to 5%. The $N\lambda/4$ resonator also provides a measure of the fully unsaturated TLS-induced loss due to the improved measurement SNR at low intra-resonator energy densities. Finally, measurements across seven harmonic resonances of the $N\lambda/4$ resonator between 4GHz - 6.5GHz reveals no frequency dependence in the TLS-induced loss over this range.
• Abstract（参考訳）: 2レベル系(TLS)は超伝導量子ビットにおける散逸と脱コヒーレンスの主要な原因として知られている。 超電導共振器は、非線形素子を含む装置と比較して、設計や製造が容易なTLSによる損失を研究するのに便利な方法である。 しかしながら、量子状態における共振器のTLSによる損失を正確に測定することは、低信号-雑音比(SNR)とTLSの時間的変動により困難であり、30%以上の不確実性をもたらす。 これらの制約に対処するため、標準クォーターウェーブの$\lambda/4$から$N\lambda/4$まで共振器長を6GHzで$N = 37$まで拡張するマルチウェーブ共振器装置を開発した。 この設計は、TLSにより引き起こされるゆらぎを、独立TLSの増大に対する空間平均化による$\sqrt{N}$の係数で減少させ、所定の共振器内エネルギー密度の測定SNRは$\sqrt{N}$の係数で改善する。 マルチウェーブ共振器は基本および高調波共鳴を持ち、TLSによる損失の周波数依存性を研究することができる。 本研究では,シリコン基板上に薄膜アルミニウムからなる多波長・四分波コプラナー導波路共振器を作製し,そのTLS特性を10mK,200mKで評価した。 両共振器の電力依存型TLSによる損失は,TLS変動による測定の不確かさの5倍の低減を実現したマルチウェーブ共振器とよく一致し,5%まで低下した。 N\lambda/4$共振器はまた、低共振器内エネルギー密度でのSNRの改善による完全な不飽和TLSによる損失の測定も提供する。 最後に、4GHzから6.5GHzの間の$N\lambda/4$共振器の7つの高調波共鳴の測定は、TLSによるこの範囲での損失の周波数依存性を示さない。

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