Quantum information processing using superconducting qubit based on Josephson junction has become one of the most promising candidates for possible realization of a quantum computer. In the heart of the qubit circuits, the superconducting microwave resonator plays a key role in quantum operations and measurements, which enables single-photon level microwave quantum optics. During last decade, the coherence time, or the lifetime of the quantum state, of the superconducting qubit has been dramatically improved. Among several technological innovations, the improvement of superconducting microwave resonator's quality has been the main driving force in getting the qubit performance almost ready for elementary quantum computing architecture. In this paper, I will briefly review very recent progresses of the superconducting microwave resonators especially aimed for quantum device applications during the last decade. The progresses have been driven by ingenious circuit design, material improvement, and new measurement techniques. Even a rather radical idea of three-dimensional large resonators have been successfully implemented in a qubit circuit. All those efforts contributed to our understanding of the qubit decoherence mechanism and as a result to the improvement of qubit performance.
″H″ type resonator has the advantage for the miniaturization of high-T7 superconducting (HTS) microstrip antenna in comparison with the conventional microstrip antenna such as rectangular type or circular type. In this paper we designed miniaturized HTS antennas using this "H"-type resonator and reported the characteristics of our antennas including return loss, bandwidth, radiation patterns, efficiency and so on. To fabricate the "H" type antenna, HTS YBa$_2$Cu$_3$$O_{7-x}$ (YBCO) thin films were deposited on MgO substrates using rf-magnetron sputtering. For comparison between normal conducting antennas and superconducting antennas, the gold antennas with the same dimension were also fabricated. An aperture coupling was used for impedance matching between 50 $\Omega$ feed line and HTS radiating patch. The ″H" type superconducting antenna showed the performance of 1.38 in SWR, 26 % in efficiency, and 13.8 dB in the return loss superior to the normal conducting counterpart.
Superconducting coplanar waveguide (SCPW) resonators with high quality (Q) factor are widely used for developing quantum sensors and quantum information processors. Here we conducted numerical simulations of SCPW resonators to investigate the relationship between the Q factor and the coupling capacitance of the resonator. Varying the geometrical shape of both ends and coupling parameters of the SCPW resonator resulted in a change of the coupling capacitances and the Q factor as well. Our calculation results indicate that the performance of the SCPW resonator is highly sensitive to the capacitive coupling and searching for an optimal coupling condition would be crucial for developing high-performance SCPW resonator.
Dual mode resonators were fabricated using high temperature superconductor. The deposited material was $Y_1Ba_2Cu_3O_{7-x}$(YBCO) on MgO(100) substrate using pulsed laser deposition. Dual mode resonators were patterned by standard photolithography process and wet etching. At the back-side of the substrate, the ground plane with the metal layer of Ti and Ag was fabricated. The transition temperatures of YBCO films were 85-88 K, and network analyzer was used for testing the performance of the resonators. The input/output feedline angles of each resonator were $60^{\circ}$and $100^{\circ}$. The resonant frequency of resonators was 10 GHz. In this paper, dual mode resonator was fabricated for the application of satellite communication.
We investigated a double ring resonator(DRR)device to improve the resonating Q value of a superconductor resonator. To make a DRR device, we made a large area YBCO film on a MgO substrate by pulsed laser deposition(PLD). Thetransition temperature was 88 K and the film was uniformly deposited. We also deposited 500$\AA$SrTiO$_{3}$on the YBCO thin film to protect the superconducting properties from degradation. The loaded Q value was measured as 50000 from simulation and as 2000 from experiment near 10GHz at 77K.
A superconducting ion-Linac (iLinac), which is supposed to work as the injector in the High Intensity heavy-ion Accelerator Facility project, is under development at the Institute of Modern Physics (IMP), Chinese Academy of Sciences. The iLinac is a superconducting heavy ion linear accelerator approximately 100 meters long and contains 96 superconducting cavities in two types of 17 cyromodules. Two types of superconducting resonators (quarter-wave resonators with a frequency of 81.25 MHz and an optimal beta β = v/c = 0.07 called QWR007 and half-wave resonators with a frequency of 162.5 MHz and an optimal beta β = 0.15 called HWR015) have been investigated. The cavity design included extensive multi-parameter electromagnetic simulations and mechanical analysis, and its results are described in details. The fundamental power coupler and cavity dynamic tuner designs are also presented in this article. The prototypes are under manufacturing and expected to be ready in 2023.
Dual mode ring resonators(DMRR) have been fabricated using laser ablated $YBa_2Cu_3O_{7-x}$ superconducting thin films. The transition temperature of YBCO thin films were 85 - 88 K and the film thicknesses were about 5,000 $\AA$. Dual mode ring resonators were patterned by standard photolithography process and wet-etching. Then two-layer metal thin films (Ti/Ag) have been deposited for the ground plane on the back side of substrate by e-beam and thermal evaporation. The input/output feedline angles of each resonator were $60^{\circ}$, $100^{\circ}$, $180^{\circ}$. A network analyzer was used for testing the performance of the resonators in the frequency range of 6-13 GHz at 77 K.
Pulsed laser ablation has been used to fabricate superconducting $YBa_2Cu_3O_{7-x}$(YBCO) thin films on MgO substrates. The epitaxial YBCO thin films were grown at $750^{\circ}C$ and oxygen partial pressure of 200 mTorr. The electrical property and the characteristics of the YBCO thin films have been studied by R-T measurement. scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD). A microstrip line resonator has been fabricated using YBCO superconducting thin films by photolithography and wet-etch process. The resonator has linear microstrip line separated by a gap of 0.278 mm. We observed a fundamental resonance peak at the frequency of 10.007 GHz.
The $high-T_c$ Superconducting(HTS) antenna which consists of "H" type resonator has the benefits for the miniaturization of antenna in comparison with the microstrip antenna of the similar dimension. To fabricate the "H" type antenna HTS $YBa_2Cu_3O_{7-x}$(YBCO) thin films were deposited on MgO substrates using rf-magnetron sputtering. Standard etching processes were performed for the patterning of the "H" type antenna. For comparison between normal conducting antennas and superconducting antennas, the gold antennas with the same dimension were also fabricated. An aperture coupling was used for impedance matching between $50\Omega$ feed line and HTS radiating patch. The diverse experimental results were reported in terms of the resonant frequency, the return loss and the characteristics impedance. The "H" type superconducting antenna showed the performance of 1.36 in SWR, 24 % in efficiency, and 14.6 dB in the return loss superior to the normal conducting counterpart.
Kim, Bongkeon;Jung, Minkyung;Kim, Jihwan;Suh, Junho;Doh, Yong-Joo
한국초전도ㆍ저온공학회논문지
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제22권4호
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pp.10-13
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2020
High-quality superconducting coplanar waveguide (SCPW) resonators are crucial for developing superconducting quantum information devices and sensors. We designed quarter-wavelength SCPW resonators and fabricated the SCPW resonators using Nb thin film. The resonant characteristics were measured at T = 4.2 K, revealing the intrinsic quality factor and the coupling quality factor to be Qi = 4,784 and Qc = 17, 980, respectively. Our design and fabrication techniques would be very useful to develop a gate-tunable superconducting qubit based on the semiconductor nanostructures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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