[論文レビュー] Full control of superconducting qubits with combined on-chip microwave and flux lines

Riccardo Manenti, Eyob A. Sete+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 27被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、真空中ギャップを有するflip-chip構造を用いて、マイクロ波（XY）およびフラックス（Z）制御ラインを1本の導体に統合した画期的なオンチップ「XYZライン」を提案する。この手法により、超伝導キュービットの完全な制御が可能となり、高精度な1キュービットゲート（99.5％の精度）とキュービットのコher-ence（T1 ≈ 53 µs）を維持する。これにより、ポート数を削減したスケーラブルな量子プロセッサ実装が可能であることが示された。

ABSTRACT

As the field of quantum computing progresses to larger-scale devices, multiplexing will be crucial to scale quantum processors. While multiplexed readout is common practice for superconducting devices, relatively little work has been reported about the combination of flux and microwave control lines. Here, we present a method to integrate a microwave line and a flux line into a single "XYZ line". This combined control line allows us to perform fast single-qubit gates as well as to deliver flux signals to the qubits. The measured relaxation times of the qubits are comparable to state-of-art devices employing separate control lines. We benchmark the fidelity of single-qubit gates with randomized benchmarking, achieving a fidelity above 99.5%, and we demonstrate that XYZ lines can in principle be used to run parametric entangling gates.

研究の動機と目的

• マイクロ波およびフラックスラインを統合することで、超伝導量子プロセッサにおけるオンチップ制御ライン数を削減すること。
• 二重機能制御ラインを統合しても、高いキュービットコher-enceおよびゲート精度を維持すること。
• キュービットと制御ラインの間に真空中ギャップを設けたflip-chipアーキテクチャを用いて、スケーラブルでコンactな構造を実証すること。
• 1キュービットあたり1本のXYZラインを用いて、多重制御およびパラメトリックエンタングルゲートを実現すること。
• 平面上のチップにおける容量性（マイクロ波）および誘導性（フラックス）制御ラインの相互作用的要件の矛盾を解決すること。

提案手法

• 制御ラインをキュービットチップの上に配置するflip-chipボンディング技術を用い、XYZラインとキュービットの間に27 µmの真空中ギャップを形成する。
• 10 mK段階で冷媒用デュプレクサを用いて、分離されたマイクロ波（3–7 GHz）およびフラックス（DC–1.5 GHz）信号を1本のラインに合成・フィルタリングする。
• フルウェーブマイクロ波シミュレーションを用いてXYZラインの幾何形状を最適化し、マイクロ波パulsesのための容量性結合とフラックス制御のための相互インダクタンスのバランスを図る。
• 相互インダクタンスを約500 nHに達成し、標準的な冷凍機セットアップで20 nsのπパulsesを可能にする十分な容量性結合を実現する。
• キャップ上にメッシュ状のグラウンドプレーンを設け、クロストークを遮断し、ノイズを低減する。
• デュプレクサ内のeccosorbフィルタを用いて、余分な高周波数光子による準粒子生成を抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1本のオンチップラインが、超伝導キュービットにマイクロ波パulsesおよびDC/RFフラックス信号を同時に供給しても、コher-enceが劣化しないか？
• RQ2 どのような幾何形状および材料配置が、共通の制御ラインにおける容量性および誘導性結合のバランスを実現できるか？
• RQ3 XYおよびZ制御を1つのXYZラインに統合することで、99.5％を超えるゲート精度を維持できるか？
• RQ4 flip-chipアーキテクチャにおける真空中ギャップが、平面上の制御ラインにおける容量性および誘導性結合のトレードオフを解消できるか？
• RQ5 XYZラインがパラメトリックエンタングルゲートをサポートでき、スケーラブルな2キュービット操作を可能にするか？

主な発見

• XYZライン設計により、全4キュービットで中央値T1が53 µsに達し、個々の値は21〜61 µsの範囲に分布した。
• ランダム化ベンチマーキングによる1キュービットゲート精度は99.5％を超えており、最高のキュービットでは99.93％に達した。
• マイクロ波パulsesによるクロストークに起因する不正な周波数変調は79 Hzにとどまり、キュービットの線幅よりも著しく低い水準であった。
• 冷媒用デュプレクサは、バンド間で20 dB以上の分離を達成し、複数回の冷却サイクルにわたり正常に機能した。
• 本手法により、1キュービットあたり1本のオンチップラインでチューナブルトランモングキュービットを完全に制御可能となり、ポート数が約50％削減された。
• 理論的モデリングにより、ACフラックス変調を介したパラメトリックエンタングルゲートがXYZラインで可能であることが確認され、スケーラブルな2キュービット操作が実現可能であることが示された。