論文の概要: Field-Dependent Qubit Flux Noise Simulated from Materials-Specific Disordered Exchange Interactions Between Paramagnetic Adsorbates

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.09471v1
• Date: Tue, 10 Feb 2026 07:07:22 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-02-11 20:17:43.420338
• Title: Field-Dependent Qubit Flux Noise Simulated from Materials-Specific Disordered Exchange Interactions Between Paramagnetic Adsorbates
• Title（参考訳）: 常磁性吸着体間の物質不規則交換相互作用を模擬した磁場依存性量子束ノイズ
• Authors: Keith G. Ray, Yaniv Rosen, Jonathan L Dubois, Vincenzo Lordi,
• Abstract要約: 超伝導量子デバイスは、常磁性表面欠陥と不純物から生じる磁束ノイズの影響を受けている。 我々は、Al$$O$_3$表面上の常磁性O$$分子からなるスピン格子の第一原理シミュレーションを示す。 本研究では, 磁束ノイズ周波数, 温度, 応用外部磁場依存性, および感受性-流束ノイズ相互相関を計算する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Superconducting quantum devices, from qubits and magnetometers to dark matter detectors, are influenced by magnetic flux noise originating from paramagnetic surface defects and impurities. These spin systems can feature complex dynamics, including a Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition, that depend on the lattice, interactions, external fields, and disorder. However, the disorder included in typical models is not materials-specific, diminishing the ability to accurately capture measured flux noise phenomena. We present a first principles-based simulation of a spin lattice consisting of paramagnetic O$_2$ molecules on an Al$_2$O$_3$ surface, a likely flux noise source in superconducting qubits, to elucidate opportunities to mitigate flux noise. We simulate an ensemble of surface adsorbates with disordered orientations and calculate the orientation-dependent exchange couplings using density functional theory. Thus, our spin simulation has no free parameters or assumed functional form of the disorder, and captures correlation in the defect landscape that would appear in real systems. We calculate a range of exchange interactions between electron pairs, with the smallest values, 0.016 meV and -0.023 meV, being in the range required to act as a two-level system and couple to GHz resonators. We calculate the flux noise frequency, temperature, and applied external magnetic field dependence, as well as the susceptibility-flux noise cross-correlation. Calculated trends agree with experiment, demonstrating that a surface harboring paramagnetic adsorbates arranged with materials-specific disorder and interactions captures the various properties of magnetic flux noise observed in superconducting circuits. In addition, we find that an external electric field can tune the spin-spin interaction strength and reduce magnetic flux noise.
• Abstract（参考訳）: 量子ビットや磁気センサからダークマター検出器まで、超伝導量子デバイスは、常磁性表面の欠陥と不純物から生じる磁束ノイズの影響を受けている。 これらのスピン系は、格子、相互作用、外部場、障害に依存するベレジンスキー-コステリッツ-チューレス遷移を含む複雑な力学を特徴とする。 しかし、典型的なモデルに含まれる障害は材料固有のものではなく、測定されたフラックスノイズ現象を正確に捉える能力が低下する。 超伝導量子ビットにおけるフラックスノイズ源であるAl$_2$O$_3$表面上の常磁性O$_2$分子からなるスピン格子の第一原理に基づくシミュレーションを行い,フラックスノイズを緩和する。 本研究では,不規則な配向を持つ表面吸着体の集合をシミュレートし,密度汎関数理論を用いて配向依存性の交換結合を計算する。 このように、我々のスピンシミュレーションは、自由パラメータや障害の関数形式を持たず、実際のシステムに現れるであろう欠陥ランドスケープの相関を捉えている。 電子対間の交換相互作用の幅を最小値 0.016 meV と -0.023 meV で計算し、2レベル系として動作し、GHz共振器に結合する。 本研究では, 磁束ノイズ周波数, 温度, 応用外部磁場依存性, および感受性-流束ノイズ相互相関を計算する。 計算された傾向は実験と一致し、材料固有の障害と相互作用が配置された常磁性吸着体表面が超伝導回路で観測される磁束ノイズの様々な特性を捉えていることを示す。 さらに, スピンスピン相互作用強度を調整し, 磁束ノイズを低減できることがわかった。

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