基于超导多谐振腔的宽带高精度两能级系统损耗测量

两能级系统（TLS）是超导量子比特中导致散失和退相干的主要来源之一。超导谐振腔因设计和制造相对更为便利，因而为研究 TLS 引起的散失提供了便利。然而，由于信噪比（SNR）低以及 TLS 随时间波动，导致在量子制程下准确测量 TLS 引起的散失具有较大挑战， uncertainly 可达 30% 以上。为此，我们开发了一种多谐振腔器件，将标准四分之一波长 $\lambda/4$ 谐振腔的长度扩展至 $N\lambda/4$（本文中 $N = 37$，工作频率为 6GHz），从而克服上述限制。该设计具有两个关键优势：由于对大量独立 TLS 进行空间平均，TLS 引起的波动降低 $\sqrt{N}$ 因子；对于给定腔内能量密度，测量的 SNR 提高 $\sqrt{N}$ 因子。多谐振腔还具有基本频率和谐波频率，可用于研究 TLS 散失的频率依赖性。本文中我们制作了由薄膜铝在硅基板上形成的多谐振腔和四分之一波长共平面波导谐振腔，并在 10mK 和 200mK 下对其 TLS 属性进行表征。我们的结果表明，两种类型谐振腔测得的功率相关 TLS 散失彼此一致，多谐振腔由于 TLS 波动导致的测量不确定性降低五倍，降至 5%。$N\lambda/4$ 谐振腔由于在低腔内能量密度下的 improved 测量 SNR，还可衡量完全未饱和的 TLS 散失。最后，我们在 4GHz-6.5GHz 范围内对 $N\lambda/4$ 谐振腔的七个谐波共振进行测量，结果显示 TLS 散失在该频率范围内没有频率依赖性。