[論文レビュー] Multilayer microwave integrated quantum circuits for scalable quantum computing

T. Brecht, Wolfgang Pfaff+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2015

Quantum and electron transport phenomena被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、3D超伝導封止構造と平面的量子回路を統合することで、スケーラブルで高コherenceを実現するマルチレイヤー微波集積量子回路（MMIQC）プラットフォームを提案する。マイクロマシン加工された3Dキャビティを電磁的シールドおよびマルチレイヤー配線に用いることで、クロストークを抑制し、キュービット、レゾネーター、制御ライン間の高密度で低損失な接続を実現する。このアーキテクチャにより、故障耐性のある量子プロセッサの実現に向けた道筋が示された。

ABSTRACT

As experimental quantum information processing (QIP) rapidly advances, an emerging challenge is to design a scalable architecture that combines various quantum elements into a complex device without compromising their performance. In particular, superconducting quantum circuits have successfully demonstrated many of the requirements for quantum computing, including coherence levels that approach the thresholds for scaling. However, it remains challenging to couple a large number of circuit components through controllable channels while suppressing any other interactions. We propose a hardware platform intended to address these challenges, which combines the advantages of integrated circuit fabrication and long coherence times achievable in three-dimensional circuit quantum electrodynamics (3D cQED). This multilayer microwave integrated quantum circuit (MMIQC) platform provides a path toward the realization of increasingly complex superconducting devices in pursuit of a scalable quantum computer.

研究の動機と目的

• 小規模デバイスを超えるスケーリングにおける超伝導量子回路におけるクロストークおよび損失の課題に対処すること。
• スケーラブルなアーキテクチャにおいて、キュービット、レゾネーター、制御ライン間の高密度で低損失な接続を実現すること。
• 3D超伝導封止構造を用いて量子素子を分離することで、長時間のコherenceを維持すること。
• 古典的制御および測定エレクトロニクスを量子回路に密接に統合し、遅延を低減し性能を向上させること。
• 大量生産および高精度な量子操作に適合するモノリシックでリソグラフィックに作製されたプラットフォームの開発

提案手法

• 量子素子を分離し、不要な相互作用を抑制するため、3D超伝導封止構造を電磁的シールドとして使用する。
• 3Dキャビティ内の非金属化表面に平面回路を実装することで、誘電体損失を最小限に抑えるマルチレイヤー製造を実装する。
• マイクロマシン加工された超伝導シームとウェーハボンディングを用いて、高Q、低損失な3Dキャビティレゾネーターを構築する。
• シールドされた3Dモジュール内に平面キュービット、レゾネーター、ジョセフソンジャンクション増幅器を統合し、制御された結合を実現する。
• ボールグリッドアレイおよびフラップチップボンディングを用いて、制御および読み出しエレクトロニクスへの高密度で低損失な外部接続を実現する。
• マルチレイヤー伝送線路レゾネーターを用いて、平面的および3DコンポONENT間の結合を最小限の寄生損失で実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な超伝導量子回路において、クロストークおよびデ coherent はどのようにして抑制可能か？
• RQ2 3D超伝導封止構造は、高コherenceを維持しながら量子素子を効果的に分離できるか？
• RQ3 マイクロマシン加工および超伝導ボンディング技術を用いて、平面量子回路を3Dキャビティ内に統合することは可能か？
• RQ4 マルチレイヤー構造は、制御、読み出し、量子バス機能に適した低損失で高密度な接続を実現できるか？
• RQ5 量子性能を劣化させることなく、シールドされたモノリシック構造内で古典的制御エレクトロニクスを量子回路と併置可能か？

主な発見

• 高品質な超伝導シームとマルチレイヤー平面結合を有する3Dマイクロマシン加工レゾネーターの概念実証が成功裏に実装され、テストされた。
• 3Dキャビティレゾネーターは高い品質因子（Q）と低損失を示し、マイクロマシン加工された超伝導封止構造を用いたシールドおよび統合の実現可能性が確認された。
• 3Dシールドによる不要な電磁的相互作用の抑制と、コンポONENT間の選択的結合を実現できる。
• マルチレイヤー配線と3Dキャビティ統合により、大規模量子回路に適した高密度で低損失な接続が可能になった。
• リソグラフィックな正確さを備えた1つのモノリシック構造に、キュービット、レゾネーター、増幅器、制御ラインを統合可能である。
• 従来の製造技術と互換性があり、将来的にリアルタイムフィードバックを可能にする古典的「コールド」エレクトロニクスの統合も可能である。