超导量子比特中磁通噪声起源的第一性原理研究

Quantum computing relies on quantum bits (qubits) and holds out the promise of being much faster than conventional computing, which has attracted intense attention in the cutting edge of multidisciplinary research recently. It is universally accepted that noise and decoherence affecting the performance of quantum information processing, while the origin of noise remains largely unknown. Josephson-junctions based superconducting quantum interference devices (SQUIDs) is important for a wide range of emerging technologies and is the mainstay of almost all quantum devices. The ability to develop SQUID-based quantum computers will require reduced flux noise to ensure the stored data survive for long times. We propose to develop and apply first principles and monte carlo approaches to address fundamental issues in SQUID-based quantum computing. Explicitly, we will investigate (1) all kinds of possibilities that induce magnetism, intrinsically and extrinsically; and (2) magnetic sources that possess small magnetic anisotropy (μeV level) and can be easily fluctuate at extremely low temperature (milli-Kelvin level); and (3) the correlated fluctuations between magnetic sources and whether they can produce low frequency magnetic flux noise; and (4) provide a feasible way to minimize the noise and develop tunable superconducting qubits with long lifetimes. It is our goal to uncover the origin of flux noise in SQUIDs that could lead to frequency-tunable superconducting qubits with improved dephasing times for practical quantum computers.

以超导量子比特为核心的量子计算机有望远超越传统电子计算机，成为近年来跨学科研究的热点。然而量子计算的基础物理问题还没有完全解决，这些问题与量子计算的技术实现紧密相关。制约超导量子干涉仪成为实用性量子比特的一个重要因素是低频磁通噪声，它影响着量子比特的相干寿命，进而影响着量子计算的性能。我们拟开展研究其磁通噪声产生的微观机制，主要包括：（1）研究其产生磁性的各种可能原因；（2）判断哪些磁性源的具有较小的磁晶各向异性能（小于30 μeV）；（3）研究磁性源之间的关联涨落以及其是否产生磁通噪声；（4）提出降低或消除磁通噪声的可行性方案。希望通过系统研究，可以揭示这类体系中低频磁通噪声产生的微观机制，同时跟实验小组密切讨论交流，以期可以改进超导量子比特的退相干时间，为量子计算等领域的发展做出贡献。我们过去几年在本领域做过很多重要的工作，发展和拓宽了许多相关计算方法和软件，有充分的信心完成本项目.

超导量子比特有望成为量子计算的核心而显示出巨大的希望，但却继续受到磁通噪声的困扰使得量子比特退相干时间减少。表面自旋是这种通量噪声的来源，噪声具有 1/f形式的功率谱密度。我们系统探索了嵌入在SQUID块体里氢原子和吸附在表面的氢原子、氢气分子、水分子等的扩散动力学行为和热稳定动力学。针对SQUID 这类超导体中低频 1/f 磁通噪声的起源做了系统的研究，发现氢原子吸附在SQUID表面极易形成羟基（OH）而不再是物理吸附的自由氢原子，并且形成羟基的氢原子因完全失去其1s电子而不在展现出超精细结构（电子自旋共振ESR信号）。氢原子的电子基本上全部转移给临近的Al原子，使得Al原子产生了0.8μB左右的磁矩，并且它会在低温下不停的涨落产生低频磁通噪声。我们计算了Al原子产生的磁圆二色性（XMCD）谱线，以便将来实验研究进一步确认。嵌入在块体里的氢原子很好的保持了其1s电子，具有0.85μB的磁矩，且计算得到超精细劈裂约1.37GHz，跟实验上观测到的1 .42GHz非常吻合。所以，实验上观测到的ESR谱线可能不是来自于表面物理吸附的氢原子，而是来自嵌入在材料内部间隙区的氢原子。. 研究结果发现不同的吸附物，如 H、O2、NO 和 NO2，分别吸附在Al基、Mg基和Pb基 SQUID 的表面，产生 0.8~2.0 μ_B 的大局部磁矩，具有能量热自旋波动能垒低至 10~30 mK。此外，我们观察到MgO表面存在的H原子会导致其他分子（例如 O2 或 NO 分子）的共吸附，从而产生额外的自旋源。我们研究了铁磁交换在很大程度上与观察到的磁通噪声指数一致，根据磁性杂质的理论计算结果，基于二维晶格中耦合的经典 XY 和海森堡自旋产生了1/f形式的磁通噪声。此外，我们建议通过在表面涂上单层磷化铟或通过具有更大吸附能的非磁性先占物保护表面免受其他分子的影响来消除自旋波动，为理解和减少超导电路中用于量子计算的磁噪声源提供了重要的见解和可行的策略。