Microscopic Relaxation Channels in Materials for Superconducting Qubits

Abstract

Despite mounting evidence that materials imperfections are a major obstacle to practical applications of superconducting qubits, connections between microscopic material properties and qubit coherence are poorly understood. Here, we perform measurements of transmon qubit relaxation times T1 in parallel with spectroscopy and microscopy of the thin polycrystalline niobium films used in qubit fabrication. By comparing results for films deposited using three techniques, we reveal correlations between T1 and grain size, enhanced oxygen diffusion along grain boundaries, and the concentration of suboxides near the surface. Physical mechanisms connect these microscopic properties to residual surface resistance and T1 through losses arising from the grain boundaries and from defects in the suboxides. Further, experiments show that the residual resistance ratio can be used as a figure of merit for qubit lifetime. This comprehensive approach to understanding qubit decoherence charts a pathway for materials-driven improvements of superconducting qubit performance.

Электромагнитное Экранирование Сверхпроводниковых Квантовых Схем

“…• пассивные элементы измерительной схемы, рассеивающие электрическую энергию в тепло. Для защиты от этих источников ИК-фотонов экраны, а в некоторых случаях и крышка держателя образца покрываются изнутри специальными поглощающими ИК-излу чение покрытиями [5][6][7][8][12][13][14], степень поглощения которых может достигать 0,95 в терагерцовом диапазоне электромагнитного излучения. В качестве поглощающих покрытий применяются промышленно выпускающиеся смолы [5][6][7][8][12][13][14][15] (например, Stycast 2850 FT, Marconi LAO, Eccosorb CR-series и др.)…”

“…Для защиты от этих источников ИК-фотонов экраны, а в некоторых случаях и крышка держателя образца покрываются изнутри специальными поглощающими ИК-излу чение покрытиями [5][6][7][8][12][13][14], степень поглощения которых может достигать 0,95 в терагерцовом диапазоне электромагнитного излучения. В качестве поглощающих покрытий применяются промышленно выпускающиеся смолы [5][6][7][8][12][13][14][15] (например, Stycast 2850 FT, Marconi LAO, Eccosorb CR-series и др.) отдельно или в сочетании с дополнительными частицами на их поверхности (например, порошок SiC с разным размером частиц, уголь или графитовая пыль).…”

“…Operation of superconductor qubits is only possible at a temperature significantly lower than the critical superconductor temperature (for aluminium Т с = 1.18 K). Qubits cooling to temperatures of 10 mK воздействий на квантовую схему в криостате дополнительно к его кожухам используют экранирование и фильтрацию коаксиальных сигнальных линий [12].…”

Low frequency correlated charge noise measurements across multiple energy transitions in a tantalum transmon

“…Superconducting qubits have traditionally been fabricated with either aluminum or niobium sputtered onto silicon or sapphire substrates. Niobium, in particular, generates multiple species of oxide on its surface with significant populations extending up to 10 nm into the metal [17], creating an unwanted environment for TLS to reside [18]. Alternative superconducting metals might exist that produce more uniform oxides or create cleaner interfaces between the metal and substrate.…”

Microscopic Theory of Magnetic Disorder-Induced Decoherence in Superconducting Nb Films

“…In Nb-based superconducting qubits, atomic-scale characterisation with X-ray photoelectron spectroscopy and resonant inelastic X-ray scattering have found that a Nb-oxide layer readily forms at the interface [26][27][28] . Magnetic and charge defects in this Nb-oxide layer have been suggested as a significant source of dissipation 18,26,29 .…”