Design and fabrication of phonon traps to reduce the density of quasi-particles in superconducting quantum circuits

Abstract

Circuitos supercondutores quânticos oferecem um leque abrangente de aplicações em campos como a computação quântica, com qubits supercondutores, detecção de radiação na forma de detectores de indutância cinética (KIDs). Estes circuitos são compostos por filmes finos de materiais supercondutores, como Alúminio, depositados sobre um substrato dieléctrico, como silício ou safira, e funcionam a temperaturas criogénicas de algumas dezenas de mili-Kelvins. A eficiência destes circuitos pode ser prejudicada pela presença de excitações do estado supercondutor fundamental a que damos o nome de quase-partículas, que criam um canal para dissipação e introduzem ruído no sistema. Neste texto propomos que a propagação de fonões no substrato pode actuar como mediador para a criação destas partículas. Introduzimos também uma estratégia para suprimir este fenómeno implementando traps de fonões, com o objectivo de suprimir a propagação de fonões no substrato. Testamos os efeitos de armadilhas de fonões feitas a partir de Alumínio em ressonadores de Alumínio granulado. E medimos um aumento no factor de qualidade interno de até três vezes, no regime em que apenas um fotão circula os ressonadores. Observamos também a supressão parcial do ruído 1/f e da taxa e energia de eventos estocásticos. Indicando que a criação de quase-partículas é de facto mediada pela propagação de fonões, e que a implementação de armadilhas de fonões pode de facto melhorar o desempenho de circuitos supercondutores quânticos.

Superconducting quantum circuits are an active field of research with various applications such as in fault tolerant quantum computation, with superconducting quantum bits showing good performance, and radiation detection, in the form of kinetic inductance detectors (KIDs). These circuits are made of thin films of superconducting materials, such as Aluminum, deposited over a dielectric substrate, such as Silicon or Sapphire, operating at cryogenic temperatures of a few tens of mili-Kelvin. Their efficiency can be degraded by the presence of excitations of the superconducting ground state called quasi-particles which behave mostly like electrons. They add a channel for dissipation and introduce noise to the system. In this text we propose, that phonon propagation in the substrate can act as a mediator for the creation of these quasi-particles, and introduce a strategy to suppress this phenomena by implementing phonon traps. We tested the effects of Aluminum phonon traps in granular Aluminum resonators and measured an increase of internal quality factor in the single photon regime of up to a factor of three. We also observed a partial suppression of 1/f noise and of rate and maximum energy of stochastic bursts, indicating that quasi-particle creation is in fact partially mediated by phonon propagation in the substrate, as hypothesized, and that the implementation of phonon traps is an efficient, easy to implement way of improving the performance of superconducting quantum circuits.