고정 주파수 트랜스몬에서 다중 레벨 이완을 이용한 TLS 스펙트로스코피

초록

고정 주파수 트랜스몬을 |2⟩ 상태까지 반복적으로 준비하고 1↔0 및 2↔1 전이의 T₁을 동시에 측정한다. 두 전이의 이완률이 시간에 따라 반대 방향으로 변동하는 상관관계를 이용해 개별 두‑레벨 시스템(TLS)의 존재와 주파수 드리프트를 추적한다. 100 MHz 이상 떨어진 TLS라도 이완에 크게 기여함을 확인하였다.

상세 분석

본 논문은 고정 주파수 트랜스몬에서 전통적인 플럭스 튜닝 없이도 개별 TLS를 식별할 수 있는 새로운 스펙트로스코피 방법을 제시한다. 핵심 아이디어는 트랜스몬의 3레벨( |0⟩, |1⟩, |2⟩ )을 고려하고, |2⟩ 상태를 초기화한 뒤 시간에 따라 |1⟩과 |0⟩의 인구 변화를 동시에 측정함으로써 두 이완률 Γ₁₀(=1/T₁e)와 Γ₂₁(=1/T₁f)를 얻는 것이다. 이때 이론적으로는 비선형성 α가 작아 ω₁₂=ω₀₁+α 이므로 Γ₂₁는 Γ₁₀의 두 배가 되는 보손 관계 Γ₂₁=2Γ₁₀를 만족한다. 그러나 실험에서는 이 관계가 크게 벗어나며, 특히 두 이완률이 시간에 따라 반대 부호의 변동을 보이는 경우가 관찰된다. 이는 하나의 TLS가 ω₀₁과 ω₁₂ 사이에 위치하면서 그 주파수가 변동할 때, Lorentzian 형태의 잡음 스펙트럼 S(ω) 가 ω₀₁에서의 값은 증가하고 ω₁₂에서의 값은 감소하기 때문이다. 따라서 TLS의 주파수 이동이 Γ₁₀와 Γ₂₁에 반대 방향의 영향을 주어 두 T₁이 반상관을 보인다. 저자들은 이를 정량화하기 위해 단일 TLS 모델을 도입하였다. 모델에서는 TLS의 스펙트럼 S(ω)=A·γ_TLS/