고주파 위상슬립 큐비트의 실현과 고온 동작

초록

티타늄 나이트라이드(TiN) 위상슬립 접합을 이용해 17 GHz 주파수를 갖는 초고주파 큐비트를 제작하였다. 제로 플럭스에서 인덕턴스가 주된 비선형성을 제공하며, 60 µs 이상의 T₁과 15 ns 수준의 T₂를 달성했다. 또한 300 mK 이상의 온도에서도 동작이 유지되어, 위상슬립 큐비트가 차세대 초전도 양자 회로에 유망한 요소임을 입증한다.

상세 분석

본 논문은 기존 알루미늄 기반 조셉슨 접합(JJ)의 비선형성을 대체할 수 있는 위상슬립 접합(PSJ)의 실용화를 목표로 한다. PSJ는 전류 대신 플럭스 양자 터널링을 매개하는 ‘비선형 커패시터’ 역할을 하며, 이론적으로는 높은 에너지 갭을 가진 초전도체를 사용함으로써 고주파(>10 GHz)와 고온(>300 mK)에서의 동작이 가능하다. 저자들은 TiN 얇은 필름(두께 5 nm) 위에 18 nm 폭의 나노 constriction을 형성해 PSJ를 구현했으며, 인덕턴스는 150 nm 폭의 넓은 와이어로 설계해 불필요한 위상슬립을 억제하였다.

디바이스는 초인덕턴스(L_k)와 PSJ가 병렬로 연결된 루프 형태이며, 외부 플럭스 Φ_ext를 0에 맞추면 Hamiltonian H = E_L (m−Φ_ext/Φ₀)² − E_s,1 (|m⟩⟨m+1|+h.c.) − E_s,2 (|m⟩⟨m+2|+h.c.) 로 기술된다. 여기서 E_L = Φ₀²/2L_k는 인덕턴스 에너지, E_s,1·E_s,2는 각각 1‑플럭스와 2‑플럭스 위상슬립 비율이다. 실험적으로는 E_L≈34.4 GHz, E_s,1≈1.03 GHz, E_s,2≈0.05 GHz를 추출했으며, 이는 E_L≫E_s,1,2인 ‘정수 플럭스’ 동작점에서 큐비트 주파수가 인덕턴스에 의해 주도됨을 의미한다.

읽기(readout)는 인덕티브 커플링을 이용한 전형적인 circuit‑QED 방식으로, 96 %의 단일 샷 판별율을 달성했다. Rabi 진동, Ramsey 간섭, 에코 실험을 통해 T₁≈60 µs, T₂_R≈15 ns, T₂_E≈30 ns를 측정했으며, T₁은 인덕티브 손실(Q_ind≈4.2×10⁴)으로 설명될 수 있었다. 그러나 T₂_R는 플럭스 노이즈(A_Φ≈1.2×10⁻⁴ Φ₀/√Hz)와 Aharonov‑Casher(AC) 노이즈(A_AC≈0.037 E_s,1/√Hz)의 복합 효과로 제한되었다. 특히 AC 노이즈는 PSJ 내부 전하 배치 변동에 기인하며, PSJ 길이를 코히런스 길이 이하로 줄이면 감소할 가능성이 있다.

온도 의존성 측정에서는 300 mK까지 T₁>20 µs, T₂_R≈10 ns 수준을 유지했으며, 385 mK에서도 여전히 동작함을 확인했다. 이는 TiN의 큰 초전도 에너지 갭(Δ≈1.5 meV)이 열잡음에 대한 내성을 제공함을 보여준다. 전체적으로, 이 연구는 PSJ 기반 큐비트가 설계 가능한 인덕턴스와 높은 동작 주파수를 통해 기존 JJ 기반 큐비트의 한계를 넘어설 수 있음을 실증한다. 향후에는 PSJ와 JJ를 결합한 보호 큐비트 설계, 그리고 광‑마이크로파 변환 인터페이스와의 통합이 기대된다.