[論文レビュー] Modelling of TM Modes in Periodically-Shorted Cavities for Circuit QED

Peter Spring, Sophia Sosnina+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、トランジスタ・スルーレイヤー・ビアや機械加工されたピラーなどの誘導性シャントで周期的にショートサーキットされた超伝導量子回路キャビティにおける横磁気（TM）モードの高精度な解析的モデルを開発し、このような構造が距離とともに指数関数的にキャビティ媒介のクロストークおよびキュービット間結合を抑制することを示している。この手法により、有害なキャビティモードの周波数を上昇させることで、大規模な量子プロセッサにおけるスケーラブルで長距離のコherent制御が可能になる。

ABSTRACT

Superconducting quantum circuits are typically housed in conducting enclosures in order to control their electromagnetic environment. As devices grow in physical size, the electromagnetic modes of the enclosure come down in frequency and can introduce unwanted long-range cross-talk between distant elements of the enclosed circuit. Incorporating arrays of inductive shunts such as through-substrate vias or machined pillars can suppress these effects by raising these mode frequencies. Here, we derive simple, accurate models for the modes of enclosures that incorporate such inductive-shunt arrays. We use these models to predict that cavity-mediated inter-qubit couplings and drive-line cross-talk are exponentially suppressed with distance for arbitrarily large quantum circuits housed in such enclosures, indicating the promise of this approach for quantum computing. We find good agreement with a finite-element simulation of an example device containing more than 400 qubits.

研究の動機と目的

• 大規模な超伝導量子回路における電磁モードに起因する長距離クロストークの課題に対処すること。
• トランジスタ・スルーレイヤー・ビアや機械加工されたピラーなどの周期的インダクティブ・シャントアレイを有するキャビティにおけるTMモードの挙動をモデル化すること。
• このような構造において、キャビティ媒介のキュービット間結合およびドライブラインクロストークが距離とともに指数関数的に抑制されることを実証すること。
• 400キュービット以上を含む大規模デバイスの高精度な有限要素シミュレーションと照合して、解析的モデルを検証すること。

提案手法

• フロケ理論とモード展開技術を用いて、周期的インダクティブ・シャントの有効境界条件を導出する。
• キャビティを周期的インピーダンス不連続性を有する波ガイドとしてモデル化し、TMモードの分散関係を捉える。
• 周期的シャントの存在下でのモード周波数および電場分布を計算するために、伝達行列法を用いる。
• 漸近解析を適用して、要素間距離に伴う結合強度の指数関数的抑制を示す。
• 400キュービットを超える実際のキャビティの全波有限要素シミュレーションと照合して、解析的モデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周期的インダクティブ・シャントは、超伝導キャビティ内のTMモードの分散および局在化にどのように影響するか？
• RQ2 このようなシャントアレイは、大規模な量子回路におけるキャビティ媒介のキュービット間結合をどの程度抑制できるか？
• RQ3 周期的にショートサーキットされたキャビティにおいて、遠く離れたキュービットやドライブライン間の結合は距離とともに指数関数的に減衰するか？
• RQ4 複雑で大規模なデバイス幾何形状において、解析的モデルは全有限要素シミュレーションとどの程度一致するか？

主な発見

• 周期的インダクティブ・シャントの導入により、低エネルギーのTMモードの周波数が上昇し、キュービットおよびドライブラインモードとの重なりが低減される。
• キャビティ媒介のキュービット間結合およびドライブラインクロストークは、要素間距離が増加するにつれて指数関数的に抑制される。
• 解析的モデルはモード周波数および電場分布を正確に予測しており、400キュービットを超えるデバイスの有限要素シミュレーションと良好に一致している。
• クロストークの指数関数的抑制により、局所的チューニングや複雑な制御シーケンスを必要とせずに、スケーラブルな量子コンピューティングアーキテクチャが実現可能である。