[論文レビュー] On-chip single-pump interferometric Josephson isolator for quantum measurements

Baleegh Abdo, Oblesh Jinka+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2020

Magneto-Optical Properties and Applications被引用数 4

ひとこと要約

この論文では、磁性材料に依存せずに超伝導量子プロセッサにおける非再帰的マイクロ波ルーティングを可能にするオンチップ型単一ポンプジョセフソンイソレータ（JIS）を提案する。2つの非デュアルジョセフソンミキサーを干渉型構成で接続することで、92%のキュービット読み出し忠実度と75%のT2Eコherences保持率を達成し、冷却済みサーキュレータの代替としてスケーラブルなソリューションを提供する。

ABSTRACT

Nonreciprocal microwave devices, such as circulators and isolators, are critical in high-fidelity qubit readout schemes. They unidirectionally route the readout signals and protect the qubits against noise coming from the output chain. However, cryogenic circulators and isolators are prohibitive in scalable superconducting architectures because they rely on magneto-optical effects. Here, we realize an on-chip, single-microwave-pump Josephson ISolator (JIS), formed by coupling two nondegenerate Josephson mixers in an interferometric scheme. We unravel the interplay between the orientation parity of the magnetic fluxes, biasing the mixers, and the JIS directionality. Furthermore, we build a motherboard, which integrates the JIS and other superconducting components, including a Josephson directional amplifier, into a printed circuit and use it to read out a qubit with 92% fidelity, while maintaining 75% of its T2E. Improved versions of this motherboard could replace magnetic circulators and isolators in large superconducting quantum processors.

研究の動機と目的

• 超伝導量子アーキテクチャにおける冷却済み磁気光学サーキュレータおよびイソレータのスケーラビリティ制限を解決すること。
• ミリケルビン温度で動作する完全にオンチップ型の非磁性材料を用いた従来のマイクロ波イソレータの代替を構築すること。
• 他の超伝導コンポONENTを統合することで、キュービットのコherencesを保ちながら高忠実度のキュービット読み出しを実現すること。
• 大規模量子プロセッサにおいて磁性サーキュレータを置き換えるためのスケーラブルでポンプ駆動のジョセフソンベースのイソレータの実現可能性を示すこと。

提案手法

• 2つの非デュアルジョセフソンミキサーを結合して、単一マイクロ波ポンプ駆動のジョセフソンイソレータ（JIS）を構築する干渉型スキームを実装すること。
• ジョセフソンミキサーに印加する磁束の向きの偶奇性によって信号の方向性を制御すること。
• プリント基板マザーボード上にJISとジョセフソン方向アンプおよび他の超伝導コンponentsを統合すること。
• 非デュアルミキシングプロセスを駆動し、非再帰的伝送を誘発するために単一のマイクロ波ポンプ周波数を使用すること。
• ミリケルビン温度で動作するようにデバイスを設計し、超伝導キュービットシステムと互換性を持たせること。
• 干渉型位相制御を用いて隔離方向を調整し、逆方向信号伝播を抑制すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁性材料や外部磁石に依存せずに、オンチップで非再帰的マイクロ波イソレーションをどのように実現できるか？
• RQ2 ジョセフソンイソレータの方向性を決定づける磁束の向きの偶奇性の役割は何か？
• RQ3 単一ポンプジョセフソンイソレータは、スケーラブルな量子プロセッサアーキテクチャにおいて読み出し中に高いキュービットコherencesを維持できるか？
• RQ4 JISとジョセフソン方向アンプの統合が、全体の測定忠実度およびコherencesにどのように影響するか？

主な発見

• オンチップ型単一ポンプジョセフソンイソレータは、磁性材料を一切使用せずに非再帰的マイクロ波信号ルーティングを成功裏に実現した。
• デバイスの方向性は、ジョセフソンミキサーに印加された磁束の向きの偶奇性によって制御される。
• マザーボード上に統合されたJISと方向アンプを用いることで、キュービット読み出し忠実度が92%に達した。
• JISを通じて測定されたキュービットは、T2Eコherencesの75%を保持しており、隔離プロセスによる劣化が最小限であることが示された。
• 干渉型設計により、逆方向に伝搬するノイズが効果的に抑制され、キュービットが出力チェーンのノイズから保護された。
• 提示されたマザーボードアーキテクチャはスケーラブルであり、大規模な超伝導量子プロセッサにおける従来の磁性サーキュレータの置き換えに適している。