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arXiv:2307.14329 · Physical Review X

High-Sensitivity ac-Charge Detection with a MHz-Frequency Fluxonium Qubit

Baldo Luis Najera Santos, R. Rousseau, Kyrylo Gerashchenko, Himanshu Patange, Angela Riva, Marius Villiers, Tristan Briant, P.-F. Cohadon, A. Heidmann, José M. Palomo, Michaël Rosticher, H. le Sueur, Alain Sarlette, W. C. Smith, Zaki Leghtas, Emmanuel Flurin, T. Jacqmin, S. Deléglise

Published Jan 24, 2024• 21 citations
arXivHTMLPDF

Abstract

Owing to their strong dipole moment and long coherence times, superconducting qubits have demonstrated remarkable success in hybrid quantum circuits. However, most qubit architectures are limited to the GHz frequency range, severely constraining the class of systems they can interact with. The fluxonium qubit, on the other hand, can be biased to very low frequency while being manipulated and read out with standard microwave techniques. Here, we design and operate a heavy fluxonium with an unprecedentedly low transition frequency of 1.8 MHz. We demonstrate resolved sideband cooling of the “hot” qubit transition with a final ground state population of 97.7%, corresponding to an effective temperature of 23 μ K . We further demonstrate coherent manipulation with coherence times T 1 = 34 μ s , T 2 * = 39 μ s , and single-shot readout of the qubit state. Importantly, by directly addressing the qubit transition with a capacitively coupled waveguide, we showcase its high sensitivity to a radio-frequency field. Through cyclic qubit preparation and interrogation, we transform this low-frequency fluxonium qubit into a frequency-resolved charge sensor. This method results in a charge sensitivity of 33 μ e / Hz , or an energy sensitivity (in joules per hertz) of 2.8 ℏ . This method rivals state-of-the-art transport-based devices, while maintaining inherent insensitivity to dc-charge noise. The high charge sensitivity combined with large capacitive shunt unlocks new avenues for exploring quantum phenomena in the 1–10 MHz range, such as the strong-coupling regime with a resonant macroscopic mechanical resonator. Published by the American Physical Society 2024

DOI
10.1103/physrevx.14.011007

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Universal Fast-Flux Control of a Coherent, Low-Frequency Qubit

Helin Zhang, Srivatsan Chakram, Tanay Roy +6 more

The heavy-fluxonium circuit is a promising building block for superconducting quantum processors due to its long relaxation and dephasing time at the flux-frustration point. However, the suppressed charge matrix elements and low transition frequency make it challenging to perform fast single-qubit gates using standard protocols. We report on new protocols for reset, fast coherent control,and readout that allow high-quality operation of the qubit with a 14 MHz transition frequency, an order of magnitude lower in energy than the ambient thermal energy scale. We utilize higher levels of the fluxonium to read out the qubit state and to initialize the qubit with 97% fidelity corresponding to cooling it to 190 μK. Instead of using standard microwave pulses, we control the qubit only with fast-flux pulses, generating control fields much larger than the qubit frequency. We develop a universal set of gates based on nonadiabatic Landau-Zener transitions that act in 20-60 ns, less than the single-qubit Larmor period. We measure qubit coherence of T1,T2e∼300 μs for a fluxonium in a 2D architecture and realize single-qubit gates with an average gate fidelity of 99.8% as characterized by randomized benchmarking.

•Jan 15, 2021•104 citations

Integer Fluxonium Qubit

Raymond Mencia, Wei-Ju Lin, Hyunheung Cho +2 more

We describe a superconducting qubit derived from operating a properly designed fluxonium circuit in a zero magnetic field. The qubit has a frequency of about 4 GHz and an energy relaxation quality factor Q ≈ 0.7 × 10 7 , even though the dielectric loss quality factor of the circuit components is in the low- 10 5 range. The Ramsey coherence time exceeds 100 μ s , and the average fidelity of Clifford gates is benchmarked to F > 0.999 . These figures are expected to improve with optimized fabrication and measurement procedures. Our work establishes a ready-to-use “partially protected” superconducting qubit functioning in the frequency range of conventional transmons. Published by the American Physical Society 2024

arXiv:2403.16780•PRX Quantum•Nov 4, 2024•20 citations

Radio-frequency fluxonium superconducting qubit for AC-charge sensing applications

Baldo Luis Najera Santos

Fluxonium radio-fréquence pour la détection de charge ultra-sensible Les circuits supraconducteurs sont des systèmes quantiques artificiels dont les propriétés peuvent être choisies pour répondre aux exigences de chaque application spécifique. Un circuit supraconducteur typique est conçu pour avoir une transition suffisamment anharmonique pour être utilisée comme un qubit, qui peut être facilement manipulé et lu grâce à son interaction forte (dipolaire) avec le champ électromagnétique. Un fort moment dipolaire fort est particulièrement intéressant en vue d'interfacer le circuit supraconducteur avec d'autres systèmes quantiques. Par exemple, la fluorescence de spins électroniques individuels a été détectée avec succès en utilisant un détecteur de photons micro-ondes basé sur un qubit supraconducteur, opérant dans la bande des 5-10 GHz. Dans le domaine de l'acousto-dynamique sur circuit (cQAD), le couplage entre un qubit et un résonateur piézoélectrique est utilisé pour détecter et manipuler l'état phononique, typiquement dans la plage 2-10 GHz. Cependant, adapter ces schémas de détection à des fréquences inférieures, en dessous de la fréquence de fonctionnement conventionnelle des qubits supraconducteurs, s'accompagne de nouveaux défis. D'abord, les qubits supraconducteurs sont lus grâce à l'intéraction dispersive avec un résonateur supraconducteur auxiliaire. Le couplage dispersif diminuant rapidement lorsque le désaccord dépasse l'anharmonicité du qubit, les qubits faiblement anharmoniques, tels que les transmons, nécessitent des résonateurs presque résonants dont les dimensions évoluent inversement avec la fréquence (par exemple, une cavité coplanaire λ/2 de 1 MHz nécessite un guide d'onde de 100 m de long). Deuxièmement, les systèmes à basse fréquence sont couplés à un bain thermique chaud avec lequel ils échangent des photons de manière aléatoire, transformant rapidement les états quantiques purs en mélanges statistiques. Le qubit fluxonium, composé d'une jonction Josephson court-circuitée simultanément par une grande inductance et une capacité, présente des opportunités uniques dans le domaine des qubits supraconducteurs à basse fréquence. Dans ce travail, nous démontrons un fluxonium lourd avec une fréquence de transition exceptionnellement basse de 1.8 MHz, tout en maintenant la capacité de manipuler et de lire le qubit en utilisant des techniques micro-ondes standard. Cela est rendu possible par le spectre d'énergie hautement non linéaire du fluxonium, où la première transition se produit dans la plage des MHz tandis que les transitions vers des états excités supérieurs sont dans la plage 3-10 GHz. Nous démontrons avec succès le refroidissement par bande latérale résolue du fluxonium, réduisant sa température effective à 23 μK et atteignant une population de l'état fondamental de 97,7%. Nos expériences révèlent en outre les capacités de manipulation cohérente du qubit, avec des temps de cohérence de T1 = 34 μs et T2* = 39 μs, accompagnés d'une lecture d'état projective.Nous démontrons en outre la sensibilité accrue du qubit aux champs de radiofréquence, obtenue par interaction directe avec un guide d'onde couplé capacitivement. En employant un protocole de préparation et de mesure cyclique, nous transformons le fluxonium en un capteur de charge résolu en fréquence précis, affichant une sensibilité de charge de 33 μe/√Hz. Cela se traduit par une sensibilité énergétique de 2.8ℏ par hertz, rivalisant avec les capteurs basés sur le transport, tout en restant intrinsèquement immunisé aux offsets de charge DC. La grande capacité de l'électrode ce notre capteur de charge basé sur le fluxonium (~50 fF) est très bénéfique dans les applications réelles de détection de charge, où la sensibilité est diluée lorsque la capacité propre du système sondé dépasse celle du capteur. Ce travail ouvre la voie à de nouvelles investigations expérimentales sur les phénomènes quantiques dans la plage de 1 à 10 MHz, y compris le régime de couplage fort avec des résonateurs mécaniques macroscopiques.

•May 31, 2024•0 citations

Fluxonium qubit-based hybrid electromechanical system

Roson Nongthombam, Anshika Ranjan, Amarendra K. Sarma +1 more

Superconducting fluxonium qubits show a highly tunable energy-level structure, with transition frequencies spanning from a few MHz to few GHz. This range is well-aligned to the operational frequencies of highly coherent micro- and nano-mechanical resonators, making fluxonium an attractive candidate for hybrid electromechanical systems. In this work, we theoretically investigate a flux-tunable electromechanical system consisting of a fluxonium qubit coupled to a suspended mechanical resonator. The coupling arises from the motion-induced modulation of magnetic flux through the fluxonium loop, enabling both transverse and longitudinal electromechanical interactions that are tunable via external magnetic fields. By optimizing the design parameters of the fluxonium qubit, we demonstrate the feasibility of achieving strong resonant single-photon coupling near the flux-frustration point. We analyze the system dynamics across different coupling regimes, identifying signatures of electromagnetically induced transparency (EIT) in the longitudinal regime and mode splitting in the transverse regime. Additionally, we show that ground-state preparation of both subsystems is possible through sideband cooling of the mechanical resonator. These results suggest that a fluxonium-based hybrid electromechanical device could be a promising platform for studying macroscopic quantum phenomena and for applications in quantum technology.

arXiv:2508.17105•Physical Review A•May 18, 2026•0 citations

Tunable Inductive Coupler for High-Fidelity Gates Between Fluxonium Qubits

Helin Zhang, Chunyang Ding, Daniel Weiss +9 more

The fluxonium qubit is a promising candidate for quantum computation due to its long coherence times and large anharmonicity. We present a tunable coupler that realizes strong inductive coupling between two heavy-fluxonium qubits, each with approximately 50 -MHz frequencies and approximately 5 -GHz anharmonicities. The coupler enables the qubits to have a large tuning range of X X coupling strengths ( − 35 to 75 MHz). The Z Z coupling strength is < 3 kHz across the entire coupler bias range and < 100 Hz at the coupler off position. These qualities lead to fast high-fidelity single- and two-qubit gates. By driving at the difference frequency of the two qubits, we realize a i SWAP gate in 258 ns with fidelity 99.72%, and by driving at the sum frequency of the two qubits, we achieve a b SWAP gate in 102 ns with fidelity 99.91%. This latter gate is only five qubit Larmor periods in length. We run cross-entropy benchmarking for over 20 consecutive hours and measure stable gate fidelities, with b SWAP drift ( 2 σ ) < 0.02 % and i SWAP drift < 0.08 % . Published by the American Physical Society 2024

PRX Quantum•May 2, 2024•63 citations

Tunable coupling scheme for implementing two-qubit gates on fluxonium qubits

Ilya N. Moskalenko, Ilya S. Besedin, Ilya A. Simakov +1 more

A superconducting fluxonium circuit is an RF-superconducting quantum interference device-type flux qubit that uses a large inductance built from an array of Josephson junctions or a high kinetic inductance material. This inductance suppresses charge sensitivity exponentially and flux sensitivity quadratically. In contrast to the transmon qubit, the anharmonicity of fluxonium can be large and positive, allowing for better separation between the low energy qubit manifold of the circuit and higher-lying excited states. Here, we propose a tunable coupling scheme for implementing two-qubit gates on fixed-frequency fluxonium qubits, biased at half flux quantum. In this system, both qubits and couplers are coupled capacitively and implemented as fluxonium circuits with an additional harmonic mode. We investigate the performance of the scheme by simulating a universal two-qubit fSim gate. In the proposed approach, we rely on a planar on-chip architecture for the whole device. Our design is compatible with existing hardware for transmon-based devices with the additional advantage of lower qubit frequency facilitating high-precision gating.

arXiv:2107.11550•Applied Physics Letters•Nov 8, 2021•35 citations
Owing to their strong dipole moment and long coherence times, superconducting qubits have demonstrated remarkable success in hybrid quantum circuits. However, most qubit architectures are limited to the GHz frequency range, severely constraining the class of systems they can interact with. The fluxonium qubit, on the other hand, can be biased to very low frequency while being manipulated and read out with standard microwave techniques. Here, we design and operate a heavy fluxonium with an unprecedentedly low transition frequency of 1.8 MHz. We demonstrate resolved sideband cooling of the “hot” qubit transition with a final ground state population of 97.7%, corresponding to an effective temperature of 23 μ K . We further demonstrate coherent manipulation with coherence times T 1 = 34 μ s , T 2 * = 39 μ s , and single-shot readout of the qubit state. Importantly, by directly addressing the qubit transition with a capacitively coupled waveguide, we showcase its high sensitivity to a radio-frequency field. Through cyclic qubit preparation and interrogation, we transform this low-frequency fluxonium qubit into a frequency-resolved charge sensor. This method results in a charge sensitivity of 33 μ e / Hz , or an energy sensitivity (in joules per hertz) of 2.8 ℏ . This method rivals state-of-the-art transport-based devices, while maintaining inherent insensitivity to dc-charge noise. The high charge sensitivity combined with large capacitive shunt unlocks new avenues for exploring quantum phenomena in the 1–10 MHz range, such as the strong-coupling regime with a resonant macroscopic mechanical resonator. Published by the American Physical Society 2024
The heavy-fluxonium circuit is a promising building block for superconducting quantum processors due to its long relaxation and dephasing time at the flux-frustration point. However, the suppressed charge matrix elements and low transition frequency make it challenging to perform fast single-qubit gates using standard protocols. We report on new protocols for reset, fast coherent control,and readout that allow high-quality operation of the qubit with a 14 MHz transition frequency, an order of magnitude lower in energy than the ambient thermal energy scale. We utilize higher levels of the fluxonium to read out the qubit state and to initialize the qubit with 97% fidelity corresponding to cooling it to 190 μK. Instead of using standard microwave pulses, we control the qubit only with fast-flux pulses, generating control fields much larger than the qubit frequency. We develop a universal set of gates based on nonadiabatic Landau-Zener transitions that act in 20-60 ns, less than the single-qubit Larmor period. We measure qubit coherence of T1,T2e∼300 μs for a fluxonium in a 2D architecture and realize single-qubit gates with an average gate fidelity of 99.8% as characterized by randomized benchmarking.
We describe a superconducting qubit derived from operating a properly designed fluxonium circuit in a zero magnetic field. The qubit has a frequency of about 4 GHz and an energy relaxation quality factor Q ≈ 0.7 × 10 7 , even though the dielectric loss quality factor of the circuit components is in the low- 10 5 range. The Ramsey coherence time exceeds 100 μ s , and the average fidelity of Clifford gates is benchmarked to F > 0.999 . These figures are expected to improve with optimized fabrication and measurement procedures. Our work establishes a ready-to-use “partially protected” superconducting qubit functioning in the frequency range of conventional transmons. Published by the American Physical Society 2024
Fluxonium radio-fréquence pour la détection de charge ultra-sensible Les circuits supraconducteurs sont des systèmes quantiques artificiels dont les propriétés peuvent être choisies pour répondre aux exigences de chaque application spécifique. Un circuit supraconducteur typique est conçu pour avoir une transition suffisamment anharmonique pour être utilisée comme un qubit, qui peut être facilement manipulé et lu grâce à son interaction forte (dipolaire) avec le champ électromagnétique. Un fort moment dipolaire fort est particulièrement intéressant en vue d'interfacer le circuit supraconducteur avec d'autres systèmes quantiques. Par exemple, la fluorescence de spins électroniques individuels a été détectée avec succès en utilisant un détecteur de photons micro-ondes basé sur un qubit supraconducteur, opérant dans la bande des 5-10 GHz. Dans le domaine de l'acousto-dynamique sur circuit (cQAD), le couplage entre un qubit et un résonateur piézoélectrique est utilisé pour détecter et manipuler l'état phononique, typiquement dans la plage 2-10 GHz. Cependant, adapter ces schémas de détection à des fréquences inférieures, en dessous de la fréquence de fonctionnement conventionnelle des qubits supraconducteurs, s'accompagne de nouveaux défis. D'abord, les qubits supraconducteurs sont lus grâce à l'intéraction dispersive avec un résonateur supraconducteur auxiliaire. Le couplage dispersif diminuant rapidement lorsque le désaccord dépasse l'anharmonicité du qubit, les qubits faiblement anharmoniques, tels que les transmons, nécessitent des résonateurs presque résonants dont les dimensions évoluent inversement avec la fréquence (par exemple, une cavité coplanaire λ/2 de 1 MHz nécessite un guide d'onde de 100 m de long). Deuxièmement, les systèmes à basse fréquence sont couplés à un bain thermique chaud avec lequel ils échangent des photons de manière aléatoire, transformant rapidement les états quantiques purs en mélanges statistiques. Le qubit fluxonium, composé d'une jonction Josephson court-circuitée simultanément par une grande inductance et une capacité, présente des opportunités uniques dans le domaine des qubits supraconducteurs à basse fréquence. Dans ce travail, nous démontrons un fluxonium lourd avec une fréquence de transition exceptionnellement basse de 1.8 MHz, tout en maintenant la capacité de manipuler et de lire le qubit en utilisant des techniques micro-ondes standard. Cela est rendu possible par le spectre d'énergie hautement non linéaire du fluxonium, où la première transition se produit dans la plage des MHz tandis que les transitions vers des états excités supérieurs sont dans la plage 3-10 GHz. Nous démontrons avec succès le refroidissement par bande latérale résolue du fluxonium, réduisant sa température effective à 23 μK et atteignant une population de l'état fondamental de 97,7%. Nos expériences révèlent en outre les capacités de manipulation cohérente du qubit, avec des temps de cohérence de T1 = 34 μs et T2* = 39 μs, accompagnés d'une lecture d'état projective.Nous démontrons en outre la sensibilité accrue du qubit aux champs de radiofréquence, obtenue par interaction directe avec un guide d'onde couplé capacitivement. En employant un protocole de préparation et de mesure cyclique, nous transformons le fluxonium en un capteur de charge résolu en fréquence précis, affichant une sensibilité de charge de 33 μe/√Hz. Cela se traduit par une sensibilité énergétique de 2.8ℏ par hertz, rivalisant avec les capteurs basés sur le transport, tout en restant intrinsèquement immunisé aux offsets de charge DC. La grande capacité de l'électrode ce notre capteur de charge basé sur le fluxonium (~50 fF) est très bénéfique dans les applications réelles de détection de charge, où la sensibilité est diluée lorsque la capacité propre du système sondé dépasse celle du capteur. Ce travail ouvre la voie à de nouvelles investigations expérimentales sur les phénomènes quantiques dans la plage de 1 à 10 MHz, y compris le régime de couplage fort avec des résonateurs mécaniques macroscopiques.
Superconducting fluxonium qubits show a highly tunable energy-level structure, with transition frequencies spanning from a few MHz to few GHz. This range is well-aligned to the operational frequencies of highly coherent micro- and nano-mechanical resonators, making fluxonium an attractive candidate for hybrid electromechanical systems. In this work, we theoretically investigate a flux-tunable electromechanical system consisting of a fluxonium qubit coupled to a suspended mechanical resonator. The coupling arises from the motion-induced modulation of magnetic flux through the fluxonium loop, enabling both transverse and longitudinal electromechanical interactions that are tunable via external magnetic fields. By optimizing the design parameters of the fluxonium qubit, we demonstrate the feasibility of achieving strong resonant single-photon coupling near the flux-frustration point. We analyze the system dynamics across different coupling regimes, identifying signatures of electromagnetically induced transparency (EIT) in the longitudinal regime and mode splitting in the transverse regime. Additionally, we show that ground-state preparation of both subsystems is possible through sideband cooling of the mechanical resonator. These results suggest that a fluxonium-based hybrid electromechanical device could be a promising platform for studying macroscopic quantum phenomena and for applications in quantum technology.
The fluxonium qubit is a promising candidate for quantum computation due to its long coherence times and large anharmonicity. We present a tunable coupler that realizes strong inductive coupling between two heavy-fluxonium qubits, each with approximately 50 -MHz frequencies and approximately 5 -GHz anharmonicities. The coupler enables the qubits to have a large tuning range of X X coupling strengths ( − 35 to 75 MHz). The Z Z coupling strength is < 3 kHz across the entire coupler bias range and < 100 Hz at the coupler off position. These qualities lead to fast high-fidelity single- and two-qubit gates. By driving at the difference frequency of the two qubits, we realize a i SWAP gate in 258 ns with fidelity 99.72%, and by driving at the sum frequency of the two qubits, we achieve a b SWAP gate in 102 ns with fidelity 99.91%. This latter gate is only five qubit Larmor periods in length. We run cross-entropy benchmarking for over 20 consecutive hours and measure stable gate fidelities, with b SWAP drift ( 2 σ ) < 0.02 % and i SWAP drift < 0.08 % . Published by the American Physical Society 2024
A superconducting fluxonium circuit is an RF-superconducting quantum interference device-type flux qubit that uses a large inductance built from an array of Josephson junctions or a high kinetic inductance material. This inductance suppresses charge sensitivity exponentially and flux sensitivity quadratically. In contrast to the transmon qubit, the anharmonicity of fluxonium can be large and positive, allowing for better separation between the low energy qubit manifold of the circuit and higher-lying excited states. Here, we propose a tunable coupling scheme for implementing two-qubit gates on fixed-frequency fluxonium qubits, biased at half flux quantum. In this system, both qubits and couplers are coupled capacitively and implemented as fluxonium circuits with an additional harmonic mode. We investigate the performance of the scheme by simulating a universal two-qubit fSim gate. In the proposed approach, we rely on a planar on-chip architecture for the whole device. Our design is compatible with existing hardware for transmon-based devices with the additional advantage of lower qubit frequency facilitating high-precision gating.