[論文レビュー] 3D integration and packaging for solid-state qubits

D. Rosenberg, Steven Weber+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2019

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 33

ひとこと要約

本論文は、損失と不要モードの最小化に配慮しつつ、フリップチップ、エアブリッジ、スルー基板ビア（TSV）アプローチを含む、固体状態キュービットのスケーラビリティ、マイクロ波制御、低温動作性能を向上させる3D統合とパッケージ戦略を調査する。

ABSTRACT

Developing a packaging scheme that meets all of the requirements for operation of solid-state qubits in a cryogenic environment can be a formidable challenge. In this article, we discuss work being done in our group as well as in the broader community, focusing on the role of 3D integration and packaging in quantum processing with solid-state qubits.

研究の動機と目的

• 量子コンピューティングにおけるスケーラブルな固体状態キュービットの必要性を動機づけ、DiVincenzo基準の考慮事項を概説する。
• 相互接続の混雑を減らし、マイクロ波制御を改善するためのパッケージングと3D統合アプローチを評価する。
• 低温動作時のマイクロ波環境を調整し、不要モードを抑制する方法を特定する。
• キュービットから室温へ、およびマルチチップスタックにまたがる信号ルーティング戦略を検討する。
• 統合パッケージアーキテクチャを用いた量子ビットプロセッサのスケールアップに向けた今後の方向性を強調する。

提案手法

• 量子ビット配列における相互接続の混雑解決策としての3D統合を議論する。
• 配線を横断し層を接続する手段として超伝導エアブリッジとフリップチップ結合を提示する。
• 垂直配線と損失削減のための超伝導スルー基板ビア（TSV）を説明する。
• マイクロ波シミュレーションと共振器測定を用いてTSV遷移と損失（Q因子）を評価する。
• エンクロージャ、キャップ、マルチレイヤ構造を用いて不要モードからキュービットを保護するアプローチを説明する。
• 低温環境でのインターコネクトプラットフォームと、異なるルーティング方式のトレードオフを概説する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3D統合とパッケージングは固体状態キュービット配列における相互接続のボトルネックをどう軽減できるか？
• RQ2 TSV遷移に関連する損失メカニズムは何か、そしてそれらがキュービットのコヒーレンスにどう影響するか？
• RQ3 マイクロ波環境をどのように設計・エンジニアリングして、低温パッケージングにおけるクロストークと不要モードを最小化できるか？
• RQ4 スケーラブルなシステムにおけるキュービットから室温への信号ルーティングの効果的な戦略は何か？
• RQ5 数百量子ビットを超えるスケーリングを可能にする将来のパッケージアーキテクチャは何か？

主な発見

• コンパクトな断面を持つ超伝導TSVは、数千のリンクにわたって低損失と高歩留まりを維持できる。
• フリップチップ統合は、単一チップ実装と同等のキュービット寿命を維持する（約20 μs）。
• 適切なCPW設計を用いると、マイクロ波TSV遷移は模擬反射が-30dBを超えることがあり、共振器Q因子は10万〜30万の範囲で、低損失を示す。
• グラウンドプレーン接続とビアベースのインターposerは、不要キャビティモードとマイクロ波クロストークを低減できる。
• シールドエンクロージャとマイクロ加工キャビティは、キュービットを孤立させ、高Qのストレージモジュールを実現する可能性を示している。
• 低温制御エレクトロニクス（SFQと低温CMOS）は準粒子汚染の課題に対処しつつ、スケーラブルなキュービット制御への道を提供する。