Infrared-Induced Quasiparticles in Superconducting Qubits

Quasiteilchen begrenzen die Kohärenz supraleitender Qubits, doch die mikroskopischen Mechanismen, die Quasiteilchen außerhalb des Tieftemperaturgleichgewichts erzeugen, sowie praktische
Strategien zu ihrer Unterdrückung sind weiterhin Gegenstand aktueller Forschung. Diese Arbeit
präsentiert die Ergebnisse von Experimenten, die den Einfluss paarbrechender Strahlung auf
supraleitende Transmon-Qubits quantitativ untersuchen. Der untersuchte Frequenzbereich ist
vergleichbar mit den Photonen, die typischerweise von den wärmeren Stufen eines Kryostaten
emittiert werden. Außerdem wird das Konzept eines neuen effizienter kryogener Filters vorgestellt,
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der auf die Unterdrückung dieser Quasiteilchen abzielt.
Ein kalibrierter Schwarzkörperstrahler bescheint einen Transmon-Qubit-Chip über einen kontrollierbaren Strahlungspfad im Bereich von 0,1 THz bis 1 THz (0,5 K bis 10 K), während die
Qubiteigenschaften bei Millikelvin-Temperaturen überwacht werden. Die induzierten Quasiteilchen besitzen Energien nahe der supraleitenden Lücke und befinden sich damit in dem bislang nur
wenig untersuchten niederenergetischen Quasiteilchen-Regime. Die experimentellen Ergebnisse
werden mit analytischen und numerischen Modellen verglichen, was die Bestimmung der Photonzu-Quasiteilchen-Umwandlungszeit ermöglicht. Die Analyse verschiedener Qubit-Architekturen
weist darauf hin, dass diese Umwandlungszeit mit der Offset-Ladungsempfindlichkeit des Qubits
zunimmt.
Zur Minderung der Quasiteilchen wird ein neuartiges Tiefpass-Filtermaterial auf Basis eines
Saphir-Pulver-Verbundstoffs entwickelt. Mie-Streuungsrechnungen sagen einen einstellbaren
Übergang zwischen Durchlassband und Sperrband voraus, was durch infrarotspektroskopische
Messungen bestätigt wird. Kryogene Charakterisierung demonstriert die gewünschten geringen
Verluste im Mikrowellen-Durchlassband. Die Integration solcher Filter in den Strahlungspfad des
Schwarzkörpersystems unterdrückt effizient die Erzeugung überschüssiger Quasiteilchen durch
Infrarotphotonen. Ein solcher Filter kann durch Anpassung der Geometrie und der FiltermaterialZusammensetzung an spezifische Anforderungen angepasst werden.

Quasiparticle (QP) poisoning limits the coherence of superconducting qubits, yet the microscopic
mechanisms that create nonequilibrium QPs and practical strategies to suppress them remain
active research topics. This thesis presents the results of experiments conducted to quantitatively
investigate the impact of pair-breaking radiation on superconducting transmon qubits within the
frequency spectrum typically emitted by the warmer stages of a low-temperature cryostat. It
also introduces an efficient cryogenic filter aimed at suppressing this source of decoherence.
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A calibrated blackbody radiator illuminates a transmon qubit chip via a controllable radiation
path within the 0.1 THz to 1 THz (0.5 K to 10 K) range, while monitoring the qubit properties
at millikelvin temperatures. The induced QPs possess energies close to the superconducting gap,
placing them in the sparsely explored low-energy QP regime. The experimental findings are
compared with analytical and numerical models, allowing the photon-to-QP conversion time
to be determined. Analysis of different qubit architectures indicates that this conversion time
increases with the qubit’s offset-charge sensitivity.
To mitigate QP poisoning, a novel low-pass filter material based on a sapphire-powder composite
is developed. Mie scattering calculations predict a tunable transition between the pass band
and the stop band, which is confirmed by infrared spectroscopy measurements. Cryogenic
characterization demonstrates the desirable low loss in the microwave pass band. Incorporating
such filters into the radiation path of a blackbody setup efficiently suppresses the production of
excess QPs by infrared photons and can be adapted to specific requirements by adjusting the
geometry and the filter material composition.