[論文レビュー] A coaxial line architecture for integrating and scaling 3D cQED systems

Christopher Axline, Matthew J. Reagor+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 4被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、高いコherencesとスケーラビリティを備えた3D cQED回路を統合するコaxial伝送線路アーキテクチャを提案する。リソグラフィーでパターンされたチップをシームレスな3Dアルミニウム波ガイド封止部に埋め込むことで、プラットフォームは単一光子のリラクゼーション時間約50 μsを達成し、クロストークおよび余分なモードを抑制し、オンチップおよび外部の結合制御を高精度で可能にし、複雑でコherentなマルチエレメント量子系の実現を可能にする。

ABSTRACT

Numerous loss mechanisms can limit coherence and scalability of planar and 3D-based circuit quantum electrodynamics (cQED) devices, particularly due to their packaging. The low loss and natural isolation of 3D enclosures make them good candidates for coherent scaling. We introduce a coaxial transmission line device architecture with coherence similar to traditional 3D cQED systems. Measurements demonstrate well-controlled external and on-chip couplings, a spectrum absent of cross-talk or spurious modes, and excellent resonator and qubit lifetimes. We integrate a resonator-qubit system in this architecture with a seamless 3D cavity, and separately pattern a qubit, readout resonator, Purcell filter and high-Q stripline resonator on a single chip. Device coherence and its ease of integration make this a promising tool for complex experiments.

研究の動機と目的

• パッケージ、コネクタ、損失メカニズムによる平面および3D cQEDシステムのコherencesとスケーラビリティの制限を克服すること。
• 低損失で統合可能なプラットフォームを開発し、3Dキャビティのコherencesと平面回路のリソグラフィー精度を統合すること。
• サブカットオフ波ガイドピンを介したエバネッセント結合を用いて、オンチップ要素（qubit、レゾネータ、フィルタ）と外部ポート間の制御された結合を実現すること。
• 3D封止部内に1枚のチップ上に複数の量子コンポONENT（qubit、レゾネータ、Purcellフィルタ）を高精度で統合すること。
• ミリ秒スケールの3Dキャビティとこのプラットフォームの相性を示し、スケーラブルなアーキテクチャで長寿命の量子資源を実現すること。

提案手法

• シームレスで機械加工されたアルミニウム製円筒波ガイドを3D封止部およびグラウンドプレーンとして用い、コaxial伝送線路構造を形成する。
• サファイア基板上にアルミニウムを用いてレゾネータ、qubit、フィルタをリソグラフィーでパターン化し、封止部を外導体として機能させる。
• 各封止部の両端にサブカットオフ波ガイドに埋め込まれたピンを用いてエバネッセント結合を実装し、リソグラフィーによる高精度な入出力結合制御を実現する。
• クランプを用いてチップを封止部内に保持することで、電場の浸透を最小限に抑え、機械的および誘電体界面に起因する損失を低減する。
• 温度依存の周波数測定を用いて、異なるコンポONENTの運動エネルギーインダクタンス率および材料損失正 tangent を抽出する。
• さまざまな波ガイド径におけるQファクターおよびリラクゼーション時間の測定を通じて、主な損失メカニズムを同定し、スケーリング特性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コaxial波ガイドアーキテクチャは、従来の3D cQEDシステムと同等のコherencesを達成しつつ、スケーラブルな統合を可能にするか？
• RQ2 波ガイド径の選択が、システム内の内部品質ファクター（Q_i）および損失メカニズムにどのように影響するか？
• RQ3 リソグラフィーで定義されたパラメータを用いて、オンチップおよび外部の結合を独立的かつ高精度に制御できる範囲はどの程度か？
• RQ4 コaxialアーキテクチャにおける主な損失メカニズムは何か？また、差分測定を用いてそれらを分離または境界化できるか？
• RQ5 このプラットフォームでは、性能劣化を伴わずにミリ秒スケールの3DキャビティとオンチップコンポONENTをコherently統合できるか？

主な発見

• コaxialラインアーキテクチャは、単一光子のリラクゼーション時間約50 μsを達成し、3D cQEDシステムの最先端水準に相当する。
• レゾネータおよびqubitの寿命は高い水準を維持しており、測定スペクトルに検出可能なクロストークや余分なモードは観測されない。
• サブカットオフ波ガイド内のピンの深さを調整することで、コンポONENT間の結合が良好に制御されており、パッケージの整合性を損なわずに広いダイナミックレンジを実現している。
• Q_iが波ガイド径に強く依存していることが示され、非局在的または分散損失メカニズムである可能性を示唆しており、Q_i ∝ モード体積の先行観察と整合的である。
• サファイア参加度（24–89%）を変化させたレゾネータの差分測定では、基板に高い電場エネルギーを有するモードでQ_iが50%高いことが判明し、基板損失が主な制限要因ではないことが示唆された。
• 測定されたQ_i値は、波ガイド表面の損失、薄膜アルミニウム、または誘電体界面からの損失だけでは説明できないため、複数の損失源が同程度の寄与をしているか、またはボルテックスや基板処理効果といった考慮されていないメカニズムが関与している可能性がある。