Nonequilibrium Quasiparticles in Superconducting Circuits: Energy Relaxation, Charge and Flux Noise
在低温超导电路中观察到的准粒子密度比在热平衡时预期的值大几个数量级。这种多余的准粒子穿过约瑟夫森结的隧穿被认为是超导量子比特中的主要损耗和退相干机制之一。在这里，我们提出了一个统一的阻抗理论，占准粒子的能量损失在电路区域远，近（跨）结。我们的理论利用了最近的实验证明，多余的准粒子是在\emph{quasiequilibrium} [T。Connolly等人，物理修订信函$\textbf{132}$，217001（2024）]，并使用广义波动耗散定理来预测由它们产生的电荷量和通量噪声。我们计算得到的能量弛豫时间$T_1$在transmon量子位与不结不对称的间隙工程，并表明，准粒子居住远离结可以发挥主导作用，在前一种情况下。如果非晶二能级系统的密度降低，它们也可以提供谐振器品质因数的上限。此外，我们表明，从准粒子的电荷噪声导致磁通噪声，这是在频率上的振荡，引起了一个"近白”的贡献，这是可比的磁通量子比特中观察到的磁通噪声。这与非晶二能级系统，其相关的磁通噪声被证明是superOhmic的对比。我们讨论了这种准粒子通量噪声如何限制通量可调量子比特中的$T_2^{*}$相干时间。结果表明，非对称能隙工程可以大大降低超导量子比特中的噪声，增加相干时间。
2025-09-18 quant-ph
Quasiparticle Poisoning of Superconducting Qubits from Resonant Absorption of Pair-breaking Photons
理想的超导体为量子计算机的精细状态提供了一个原始的环境：因为激发有一个能隙，所以量子位可以与之相互作用，从而导致量子态不可逆的衰变。然而，实际上，即使在超低温下，超导基态也存在高密度的激发，这些被称为准粒子。观测到的准粒子密度为1~ $μ$ m $^{-3}$，比理论上预期的平衡密度大几十个数量级。非平衡准粒子从量子比特模式中提取能量，并引起量子比特偏移电荷的离散变化，这是退相的潜在来源。在这里，我们表明，在超导量子位准粒子中毒的主要机制是直接吸收的高能光子在量子位结。我们使用一个基于约瑟夫森结的光子源来可控地对量子位电路进行毫米波辐射，并使用一个干涉量子门序列来重建量子位岛上的电荷宇称。我们发现量子比特本身的结构充当了毫米波辐射的谐振天线，为光子产生准粒子激发提供了有效的路径。对这一物理学的深入理解将为实现下一代超导量子比特铺平道路，这些量子比特对准粒子中毒具有鲁棒性，并可能使一类新的量子传感器用于暗物质检测。
2022-03-13 quant-ph
Quasiparticle tunneling as a probe of Josephson junction barrier and capacitor material in superconducting qubits
非平衡准粒子是超导量子比特中退相干的可能来源，因为它们可以在穿过约瑟夫森结（JJ）时导致能量衰减或失相。在这里，我们研究的准粒子隧穿（QPT）的二维transmon量子比特的内在属性的影响，并讨论我们如何可以使用准粒子动力学获得的JJ势垒的质量的关键信息。我们发现非平衡准粒子的隧穿率对分流电容材料的选择和它们在量子比特中的几何形状是敏感的。在某些设备中，我们观察到的QPT率低于100 mK，偏离一个恒定的背景与非平衡准粒子的异常温度依赖性。我们推测，这种行为是由高传输站点/缺陷内的氧化物势垒的JJ的，导致空间局部化的亚带隙状态。我们通过假设这种缺陷产生具有较小有效间隙的区域来对此进行建模。我们的研究结果提出了一个独特的原位表征工具，以评估量子位结中隧道势垒的均匀性，并阐明准粒子如何与量子位电路的各种元素相互作用。
2022-02-04 cond-mat.supr-con quant-ph
Suppression of Quasiparticle Poisoning to $10^{-11}$ Levels in Superconducting Qubits via Infrared Shielding
National Central University（中央大学）；Academia Sinica（中央研究院）；National Taiwan University（台湾大学）；National Changhua University of Education（彰化师范大学）；National Center for Theoretical Sciences（国家理论科学中心）
本文通过三种红外屏蔽配置，将超导量子比特的准粒子诱导的奇偶切换率抑制超过四个数量级，最低准粒子密度达 $1.88\ imes10^{-11}$ 每库珀对，创下文献新低。
2026-06-05 quant-ph
Direct detection of quasiparticle tunneling with a charge-sensitive superconducting sensor coupled to a waveguide
本文提出一种基于超导量子比特直接耦合波导的准粒子探测器，通过相干散射测量准粒子数宇称，实现快速高信噪比探测，隧穿速率0.8–7 s⁻¹，时间分辨率低于10 μs。
2024-04-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Measurements of Quasiparticle Tunneling Dynamics in a Bandgap-Engineered Transmon Qubit
我们已经设计了transmon量子比特的带隙分布相结合的掺杂氧的铝隧道结电极和清洁铝作为准粒子陷阱，调查由于准粒子隧穿的能量弛豫。量子位的弛豫时间$T_1$被证明是不敏感的带隙工程。在相对较低的$E_J/E_C$下工作，使得transmon跃迁频率明显依赖于电荷宇称，从而使我们能够检测到穿过量子位结的准粒子隧穿。准粒子动力学已被研究，通过监测的频率切换由于偶/奇宇称变化的实时。它表明开关时间快于10 $μ$ s，表明必须减少准粒子诱导的弛豫以实现远长于100 $μ$ s的$T_1$。
2011-12-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
The effect of environmental coupling on tunneling of quasiparticles in Josephson junctions
本文研究了电磁环境中约瑟夫森隧道结中的准粒子隧穿。我们确定的隧道过程中，转移电荷和耦合到环境中的方式类似于正常的电子，和过程中，混合电子和空穴，从而创造电荷叠加。后者对超导体之间的相位差敏感，因此即使在零温度下也受到相扩散的限制。我们发现，在许多环境中的环境耦合被抑制，从而导致较低的准粒子衰变率，从而更好的超导体量子比特的相干性比以前预期的。我们的方法是非微扰的环境耦合强度。
2013-11-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Phonon-Mediated Quasiparticle Poisoning of Superconducting Microwave Resonators
非平衡准粒子是超导量子线路中退相干的重要来源。在这里，我们调查的准粒子中毒的机制进行本地准粒子注入设备。我们发现，准粒子中毒是占主导地位的对破坏声子在整个芯片的传播。我们描述的准粒子中毒的时间尺度的能量依赖性。最后，我们观察到，纳入广泛的正常金属准粒子陷阱导致一个以上的数量级减少准粒子损失为一个给定的注入准粒子功率。
2016-10-28 cond-mat.supr-con quant-ph
Macroscopic Quantum Tunneling and Quasiparticle Dissipation in d-wave Superconductor Josephson Junctions
研究了具有d波序参量的高温超导体约瑟夫森结中的宏观量子隧穿。利用微观哈密顿量和泛函积分方法，解析地得到了c轴扭曲约瑟夫森结的MQT速率（亚稳态寿命的倒数）。在扭转角为零的情况下，由于节状准粒子隧穿的存在，系统表现出超欧姆耗散。因此，MQT速率与有限扭转角情况相比被强烈抑制。
2004-09-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Dynamics of parametric fluctuations induced by quasiparticle tunneling in superconducting flux qubits
我们对超导磁通量子比特中两态参量涨落的动力学进行了实验研究。在光谱测量中，涨落子表现为双线。当量子位与两条双线中的一条共振激发时，读出结果的相关性表现出指数时间衰减，这提供了对涨落跃迁速率的测量。在40 ~ 158 mK范围内，速率随温度的升高而增大。根据跃迁率和双线分裂的大小，我们认为这种涨落是由准粒子隧穿引起的。这些结果证明了考虑准粒子作为磁通量子比特退相干源的重要性。
2014-06-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Non-local Tunneling Spectroscopy of Inelastic Quasiparticle Relaxation in Superconducting 1-D Wires
National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）；Northwestern University（西北大学）；Karlsruhe Institute of Technology (KIT)（卡尔斯鲁厄理工学院）
通过非局域导电实验研究超导一维线中准粒子输运与弛豫，利用双偏压方案提取准粒子能量不平衡的影响，结合准经典模拟估算能量依赖的非弹性散射时间，并探讨超流体动能效应。
2026-04-29 cond-mat.supr-con quant-ph
Engineering superconducting qubits to reduce quasiparticles and charge noise
识别、量化和抑制量子比特中的退相干机制是实现量子计算机或模拟器工程目标的重要步骤。超导电路在量子位设计中提供了灵活性;然而，它们的性能受到准粒子（破碎的库珀对）的不利影响。因此，开发一种与可扩展的高相干性设备兼容的准粒子缓解策略是非常可取的。在这里，我们通过实验演示了如何通过缩小量子位，用金属盖覆盖它，并为其配备合适的准粒子陷阱来控制准粒子的产生。使用倒装芯片设计，我们在超导能隙上方塑造量子位的电磁环境，抑制准粒子中毒。我们的研究结果支持的假设，准粒子的产生是占主导地位的库珀对在结处的断裂，作为一个结果的光子吸收的天线状量子比特结构。我们实现了创纪录的低电荷奇偶性开关速率（<1Hz）。我们的铝制设备在离散充电事件方面也表现出更高的稳定性。
2022-12-26 cond-mat.supr-con quant-ph
Non-equilibrium quasiparticles in superconducting circuits: photons vs. phonons
我们研究了非平衡准粒子对超导器件（量子比特或谐振器）运行的影响，包括器件运行对准粒子的加热。聚焦于通过低频光子吸收加热和通过光子和声子发射冷却之间的竞争，我们得到了一个非常简单的准粒子分布函数的动力学方程的非热稳态解。我们估计准粒子的弛豫和激发速率的transmon量子比特的影响，并与我们的研究结果，最近的实验。
2019-01-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Coexistence of nonequilibrium density and equilibrium energy distribution of quasiparticles in a superconducting qubit
本文通过测量具有超导能隙差的transmon量子比特中的电荷宇称切换热激活，证实非平衡准粒子密度仍可具有与声子浴平衡的能量分布，并展示了利用能隙不对称性操控宇称的方法。
2024-03-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum bath engineering of a high impedance microwave mode through quasiparticle tunneling
我们展示了微波量子光学中耗散工程的一种新方法。对于单模，耗散通常对应于量子跃迁，其中光子一个接一个地丢失。在这里，我们能够使用简单的直流电压将每次跳跃的最小丢失光子数调整为两个（或更多）。因此，不同的量子态经历不同的耗散。因果关系意味着状态也必须经历不同的能量转移。我们对这些兰姆位移的测量与Kramers-Kronig关系在高度非线性浴耦合状态下对单量子态的预测吻合得很好。这项工作为在电路QED中操纵量子态提供了新的可能性，而不依赖于约瑟夫森效应。
2022-09-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Decoherence of superconducting qubits caused by quasiparticle tunneling
在超导量子比特中，量子比特自由度与准粒子的相互作用定义了量子比特相干性的基本限制。本文发展了准粒子隧穿约瑟夫森结引起的纯退相率Γ_∞和结中Andreev态占据变化引起的非均匀展宽的理论。为了估计Γ_π，我们推导了量子比特动力学的主方程。自由准粒子在接近超导能隙的能量处具有大的态密度，从而提高了它们的隧穿率。然而，我们发现，与当前大多数量子比特设计（相位和通量量子比特，transmon，fluxonium）中由外在因素决定的速率相比，Γ_p很小。其中单个结被SQUID环取代的分裂transmon代表了可以使测量Γ_π成为可能的例外。量子比特频率的波动导致非均匀加宽，这可能是由与相位偏置约瑟夫森结相关的Andreev态的占据数的波动引起的。这种机制可以在具有小面积结的量子位中揭示，因为它引起的频率的最小相对变化是结中传输通道的倒数。
2012-07-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Millisecond charge-parity fluctuations and induced decoherence in a superconducting qubit
准粒子激发对超导器件的性能有着广泛的影响。它们限制了天文学中光子探测器的灵敏度，计量学中电流源的准确性，微型冰箱的冷却能力，并可能打破Majorana量子比特的拓扑保护。在用于量子信息处理的超导电路中，准粒子穿过约瑟夫森结的隧穿构成退相干机制。由于transmon型电荷量子比特的弛豫和纯退相时间现在达到100微秒，了解准粒子隧穿是否已经成为相干性的瓶颈是非常有趣的。我们整合电路量子电动力学中量子比特读出和反馈控制的最新进展，首次实时观察了transmon量子比特中的准粒子隧穿。我们证明了准粒子隧穿贡献的量子位弛豫和纯退相在毫秒范围内。因此，准粒子隧穿不会限制相干性至少一个超出现有技术水平的数量级。
2012-12-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Quasiparticle poisoning rate in a superconducting transmon qubit involving Majorana zero modes
由于Majorana零模在容错拓扑量子计算中的应用前景，它一直受到人们的广泛关注。近年来，人们提出了一些利用超导量子比特探测和操纵马约拉纳零模的方案。然而，操纵和读取马约拉纳零模必须保持在准粒子中毒的时间窗口。在这项工作中，我们研究了分裂transmon量子比特中的准粒子中毒问题，该量子比特包含含有Majorana零模的混合约瑟夫森结。我们证明了Majorana耦合将导致宇称混合和4π Josephson效应。此外，我们还得到了依赖于量子位参数的宇称切换率的表达式，并证明了通过量子位设计降低E_J/E_C可以大大抑制准粒子中毒。
2022-11-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quasiparticle Dynamics in NbN Superconducting Microwave Resonators at Single Photon Regime
本研究通过温度扫描测量NbN超导微波谐振器的频率和品质因数，结合复电导率计算，揭示了准粒子能量分布对器件退相干性能的影响。
2025-06-21 cond-mat.supr-con cs.SY eess.SY
Excitation of superconducting qubits from hot non-equilibrium quasiparticles
超导量子位探测环境缺陷，例如非平衡准粒子，这是退相干的重要来源。我们发现，"热"的非平衡准粒子，与超导能隙以上的能量，影响量子比特不同的准粒子在间隙，这意味着量子比特可以探测动态准粒子的能量分布。对于热准粒子，我们预言量子比特激发态概率P_e的增加是不可忽略的。通过将热准粒子注入到量子比特中，我们在实验上测量了P_e的增加，与模型半定量一致，并排除了通常假设的热分布。
2013-04-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Quasiparticles in superconducting qubits with asymmetric junctions
设计超导能隙的空间分布--能隙工程--长期以来被认为是控制超导器件中准粒子的有效方法。在铝膜中，它们的厚度调节间隙;因此，Al/AlOx/Al约瑟夫森结的标准制造（其依赖于在较薄的膜的顶部上重叠较厚的膜）总是导致间隙设计的器件。在这里，我们重新考虑超导量子比特中的准粒子效应，以明确地解释约瑟夫森结两侧带隙中不可避免的不对称性。我们发现，可以遇到不同的制度中的准粒子有相似的密度在两个结的铅，或在很大程度上局限于较低的间隙铅。定性地，对于类似的密度，量子位的激发态布居较低，但其弛豫速率高于当准粒子被限制时;因此，在量子位中的两个期望性质之间存在潜在的权衡。
2022-11-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Quasiparticle dynamics in a superconducting qubit irradiated by a localized infrared source
针对超导量子比特因准粒子导致的退相干问题，研究了transmon量子比特在不同参数聚焦红外辐射下的特性，验证了低能准粒子俘获动力学模型，为缓解高能辐射对超导电路的影响提供了技术途径。
2023-12-10 cond-mat.supr-con quant-ph
Quasiparticle relaxation of superconducting qubits in the presence of flux
穿过约瑟夫森结的准粒子隧穿为超导量子比特态的寿命设定了极限。我们发展了一个由磁通量控制的量子比特中相应衰变率的一般理论。通量影响准粒子隧穿振幅，从而使衰变率通量依赖。该理论适用于任意准粒子分布。它提供了在实际重要的量子线路的速率估计，也提供了一种新的方法来测量相位相关的约瑟夫森结的导纳。
2011-01-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Quasiparticle Decoherence in d-wave Superconducting Qubits
通常认为，在d波超导能隙的节点处存在的无隙准粒子激发应该强烈地退相干d波量子比特的量子态，使得量子效应实际上不可观察。使用自洽的线性响应非平衡准经典形式主义，我们表明，这不一定是真的。我们发现d波晶界结的准粒子电导是强烈的相位相关。带隙中间态和节点准粒子对电导和退相干都有贡献。量子行为估计是可检测的量子位包含一个d波结与适当的参数。
2003-11-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Relaxation and frequency shifts induced by quasiparticles in superconducting qubits
约瑟夫森结作为一种低损耗的非线性元件，是超导量子比特的重要组成部分。量子位自由度与准粒子隧穿通过结的相互作用代表了内在的弛豫机制。我们开发了一个一般的理论，由准粒子引起的量子比特的衰变率，我们研究了它的依赖于用于调整的设备，如相位和通量量子比特，分裂transmon和fluxonium的量子比特属性的磁通量。我们对衰变率的估计适用于热平衡和非平衡准粒子。我们建议测量分裂transmon的速率，以获得可能的非平衡准粒子分布的信息。我们还推导出在准粒子的存在下，量子比特频率的移位的表达式。
2011-06-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Measurement and Control of Quasiparticle Dynamics in a Superconducting Qubit
近年来，超导电路作为容错量子信息处理的一个有希望的候选者引起了越来越多的关注。人们一直在努力将这些电路与外部磁场完全屏蔽，以保护超导性的完整性。令人惊讶的是，在这里，我们表明涡旋可以通过减少被称为准粒子的有害单电子类激发的寿命来提高超导量子比特的性能。使用非接触式注入技术与前所未有的动态范围，我们定量区分重组和捕获机制，在控制残留准粒子的动态，并显示由于个别旋涡准粒子捕获率的量化变化。这些结果突出了准粒子捕获在超导量子比特未来发展中的突出作用，并提供了一个强大的表征工具。
2014-10-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Bogoliubov Quasiparticles in Superconducting Qubits
延长量子比特的相干时间是构建量子信息处理设备的关键任务。在电路QED的三维腔实现中，超导量子比特的相干性由于减少了与光子发射相关的损耗而得到了显著的改善。改善相干性的下一个前沿包括减轻超导准粒子的不利影响。在这些讲座中，我们回顾了准粒子动力学的基础知识，它们与量子位自由度的相互作用，它们对量子位弛豫速率的贡献，以及控制其效果的方法。
2021-06-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Normal-metal quasiparticle traps for superconducting qubits
超导量子比特中准粒子的存在是对其相干性的内在约束。虽然很难防止准粒子的产生，但使它们远离量子位的有源元件提供了一种提高器件性能的可行方法。在这里，我们开发理论和实验验证一个模型的影响，一个单一的小陷阱的动力学的过剩准粒子注入transmon型量子比特。该模型允许一个评估所需的时间，以疏散注入准粒子从transmon作为陷阱参数的函数。随着陷阱大小的增加，这个时间单调减少，饱和的准粒子扩散常数和量子位几何形状所确定的水平。我们确定弛豫时间接近饱和值所需的特征陷阱大小。
2016-06-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Suppression of quasiparticle poisoning in transmon qubits by gap engineering
本文提出在铝基 transmon 量子比特中利用能隙工程构建准粒子势垒，从而抑制低能 QP 隧穿，使电荷宇称保持超过 10^3 秒并降低能量弛豫率。
2024-05-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Initial experimental results on a superconducting-qubit reset based on photon-assisted quasiparticle tunneling
本文介绍了基于量子电路制冷机（QCR）的量子比特复位方案的最新研究结果。特别地，我们使用光子辅助准粒子隧穿通过超导体-绝缘体-正常金属-绝缘体-超导体结，以可控地减少量子比特的能量弛豫时间在QCR操作。在我们的实验中，我们使用了一个色散读出的transmon量子比特。QCR通过其正常金属岛电容耦合到量子位。我们采用快速，方形的QCR控制电压脉冲的持续时间在2- 350纳秒的范围内，各种幅度，以优化复位时间和保真度。因此，我们从第一个激发态开始，用80 ns的脉冲达到了大约97%的量子比特基态概率。从平均读出信号中提取量子位状态概率，其中校准基于拉比振荡，因此不区分量子位的残余热布居。
2022-12-02 cond-mat.supr-con physics.app-ph quant-ph
Measuring quasiparticle dynamics for particle impact reconstruction in a superconducting qubit chip
Northwestern University（西北大学）；Fermi National Accelerator Laboratory（费米国家加速器实验室）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；MIT Lincoln Laboratory（麻省理工学院林肯实验室）
本文通过准粒子密度动力学建模，研究了粒子撞击导致的准粒子污染对超导量子计算机相干性的影响，揭示了准粒子损失过程及对量子比特性能的影响。
2026-04-14 hep-ex physics.ins-det quant-ph
Nonequilibrium Quasiparticle Dynamics in a MoRe-Based Superconducting Resonator under IR Excitation
G. V. Kurdyumov Institute for Metal Physics, N.A.S. of Ukraine（乌克兰国家科学院 G.V.库尔久莫夫金属物理研究所）；Kyiv Academic University（基辅学术大学）
研究了红外激发下MoRe基超导谐振腔的非平衡准粒子动力学，揭示了其在微波动能电感探测器中的应用潜力。
2026-02-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con quant-ph
Nonequilibrium regimes for quasiparticles in superconducting qubits with gap-asymmetric junctions
本文研究具有能隙不对称结的超导量子比特中准粒子密度随温度的变化，提出四种非平衡态区，并指出磁场测量有助于准确识别这些状态区。
2025-07-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Quasiparticle-induced decoherence of a driven superconducting qubit
Columbia University（哥伦比亚大学）；Yale University（耶鲁大学）；Google Quantum AI（谷歌量子人工智能）
本研究建立了受驱超导量子比特的两种准粒子诱导退相干机制理论，指出能隙工程量子比特在受驱时仍会受其影响，明确了准粒子对微波量子比特操作保真度的 fundamental 限制。
2025-06-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
On-chip microwave sensing of quasiparticles in tantalum superconducting circuits on silicon for scalable quantum technologies
本文通过片上微波传感技术，在硅上α-钽超导谐振器中测量准粒子，发现其密度约为NbN的三分之一，为可扩展量子技术提供了降低损耗的新途径。
2025-09-09 cond-mat.supr-con cs.ET cs.SY
