Normal-Metal Quasiparticle Traps For Superconducting Qubits: Modeling, Optimization, and Proximity Effect

Hosseinkhani, Amin; DiVincenzo, David P. (Thesis advisor); Michielsen, Kristel Francine (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Bogoliubov Quasiteilchen stören viele Abläufe in supraleitenden Elementen. In supraleitenden Qubits wechselwirken diese Quasiteilchen beim Tunneln durch den Josephson- Kontakt mit dem Phasenfreiheitsgrad, was zu einer Relaxation des Qubits führt. Für Temperaturen im Millikelvinbereich gibt es substantielle Hinweise für die Präsenz von Nichtgleichgewichtsquasiteilchen. Während deren Entstehung noch nicht einstimmig geklärt ist, besteht dennoch die Möglichkeit die von Quasiteilchen induzierte Relaxation einzudämmen indem man die Quasiteilchen von den aktiven Bereichen des Qubits fernhält. In dieser Doktorarbeit studieren wir Quasiteilchenfallen, welche durch einen Kontakt eines normalen Metalls (N) mit der supraleitenden Elektrode (S) eines Qubits definiert sind. Wir entwickeln ein Modell, das den Einfluss der Falle auf die Quasiteilchendynamik beschreibt, wenn überschüssige Quasiteilchen in ein Transmonqubit injiziert werden. Dieses Modell ermöglicht es, unter Berücksichtigung der Fallenparameter die Zeitskala zu bestimmen, in der die überschüssigen Quasiteilchen aus dem Transmon evakuiert werden. Wir zeigen, dass die Evakuierungsdauer monoton mit der Fallengröße ansteigt und letztlich auf einen Grenzwert zuläuft, der von der Quasiteilchen-Diffusionskonstante und von der Qubitgeometrie abhängt. Wir errechnen die charakteristische Fallengröße, bei welcher dieser Grenzwert erreicht wird. Wie es sich herausstellt, ist der limitierende Faktor für die Einfangrate der Falle durch die langsame Quasiteilchenrelaxation im normalen Metall gegeben; diese Relaxation ist jedoch nur schwer kontrollierbar. Um das Einfangen von Quasiteilchen zu optimieren, studieren wir den Einfluss von Größe, Anzahl und räumlicher Anordnung der Fallen. Diese Faktoren sind insbesondere wichtig, wenn die Falle die charakteristische Größe überschreitet. Wir diskutieren für einige experimentell relevante Beispiele wie die Evakuierungsdauer der überschüssigen Quasiteilchen optimiert werden kann. Darüber hinaus zeigen wir, dass eine Falle nahe des Josephson-Kontaktes die stationäre Quasiteilchendichte an demselben Kontakt unterdrückt und den Einfluss von Fluktuationen der Quasiteilchenerzeugung reduziert. Wenn metallische Elemente an ein supraleitendes Material gekoppelt sind, können Cooper- paare ins Metall entweichen. Mit dem Usadelformalismus greifen wir zunächst den Proximity-Effekt von gleichförmigen NS-Doppelschichten wieder auf; trotz der bereits langjährigen Erforschung dieses Problems erlangen wir zu neuen Erkenntnissen über die Zustandsdichte. Wir verallgemeinern unsere Resultate danach für das ungleichförmige Problem in der Nähe der Fallenkante. Durch die Kombination dieser Resultate mit dem davor entwickelten Modell zur Unterdrückung der Quasiteilchendichte finden wir einen optimalen Abstand zwischen Falle und Josephson-Kontakt in einem Transmonqubit, welcher zu einer Minimierung der Qubitrelaxation führt. Dieser optimale Abstand, der die 4- bis 20-fache Kohärenzlänge beträgt, resultiert aus dem Wechselspiel zwischen Proximity-Effekt und Unterdrückung der Quasiteilchendichte. Wir schließen daraus, dass der schädliche Einfluss des Proximity-Effekts umgangen werden kann solange die Entfernung zwischen Falle und Kontakt größer als der optimale Abstand ist.

Einrichtungen

• JARA-Institut für Quanteninformation [080043]
• Lehrstuhl für Theoretische Physik [137310]
• Fachgruppe Physik [130000]