[論文レビュー] Spurious microwave crosstalk in floating superconducting circuits

Peng Zhao, Yingshan Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、接地されていないスーパーコンダクターのトランモンキュービットにおける、これまで無視されてきた不自然なマイクロ波クロステイクチャルチャネルを特定した。このチャネルは、接地から分離された超伝導島を有するキュービットの浮遊構造が支える自由モードに起因する。外部の余分な結合が存在しない状況でも、この内部的チャネルにより顕著なクロステイクチャルが生じ、キュービットのアドレス指定性能を制限する可能性があり、幾何学的レイアウトのさまざまな例を通じた解析的モデルによって、回路設計による緩和が有効であることが示された。

ABSTRACT

Crosstalk is a major concern in the implementation of large-scale quantum computation since it can degrade the performance of qubit addressing and cause gate errors. Finding the origin of crosstalk and separating contributions from different channels are essential prerequisites for figuring out crosstalk mitigation schemes. Here, by performing circuit analysis of two coupled floating transmon qubits, we demonstrate that, even if the stray coupling, e.g., between a qubit and the drive line of its nearby qubit, is absent, microwave crosstalk between qubits can still exist due to the presence of a spurious crosstalk channel. This channel arises from free modes, which are supported by the floating structure of transmon qubits, i.e., the two superconducting islands of each qubit with no galvanic connection to the ground. For various geometric layouts of floating transmon qubits, we give the contributions of microwave crosstalk from the spurious channel and show that this channel can become a performance-limiting factor in qubit addressing. This research could provide guidance for suppressing microwave crosstalk between floating superconducting qubits through the design of qubit circuits.

研究の動機と目的

• 浮遊超伝導トランモンキュービットにおいて、これまで考慮されていなかったマイクロ波クロステイクチャルチャネルを特定・特徴づけること。
• このクロステイクチャルが外部の余分な結合とは独立して、浮遊構造内の自由モードに起因することを示すこと。
• 異なるキュービットの幾何学的レイアウトにおける、この不自然なチャネルの寄与を定量化すること。
• このクロステイクチャルが内部的であり、キュービットのアドレス指定性能を制限する可能性があること、したがって設計段階での緩和が不可欠であることを示すこと。

提案手法

• 2つの直接結合された浮遊トランモンキュービットを対象に、電荷変数およびフラックス変数を用いて量子回路解析を実施。
• 結合チャネルを特定するために、縮小された静電容量行列を導出。自由モードからの寄与を分離。
• さまざまな幾何学的レイアウトにおけるシステムの解析を通じて、不自然なクロステイクチャルの強度を評価。
• 接地されたおよび浮遊したバス結合器によるキュービット結合への拡張解析を実施。自由モードが存在する限り、不自然なチャネルが継続して存在することを示した。
• ゲートおよびキュービットの静電容量が、駆動および結合静電容量よりもはるかに大きいという条件下で、摂動近似を用いた解析。
• 不自然なクロステイクチャルが、直接的または余分な結合ではなく、浮遊島内の自由モードによって媒介されることを実証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 駆動ラインやキュービット間に余分な結合が存在しない状況で、浮遊超伝導キュービットにマイクロ波クロステイクチャルが生じる原因は何か？
• RQ2 浮遊超伝導島が支える自由モードは、どのように不自然なクロステイクチャルに寄与するか？
• RQ3 この不自然なクロステイクチャルチャネルは、異なる幾何学的レイアウトにおいて、どの程度キュービットアドレス指定性能を制限するか？
• RQ4 アクティブキャンセレーションではなく、キュービット回路設計によってこのクロステイクチャルを緩和できるか？
• RQ5 接地バスと比較して、浮遊バス結合器が不自然なクロステイクチャルに与える影響は何か？

主な発見

• 浮遊トランモンキュービットには、余分な結合が存在しない状況でも、浮遊構造内の自由モードに起因する不自然なマイクロ波クロステイクチャルチャネルが存在する。
• このクロステイクチャルは内部的であり、キュービットの内部回路構造にのみ依存し、外部の配線とは無関係である。
• 直接結合された浮遊キュービットでは、この不自然なクロステイクチャルの寄与は無視できない大きさであり、キュービットアドレス指定性能の制限要因となる可能性がある。
• 浮遊バス結合システムでは、浮遊バスが支える自由モードが、キュービット間のクロステイクチャルを媒介する。これはバスが接地されていなくても成立する。
• この不自然なチャネルによるクロステイクチャルの寄与は定量的に顕著であり、慎重なキュービット回路設計によって抑制可能である。
• 接地バス構造は自由モードを支持しないため、この種の不自然なクロステイクチャルは発生しない。これにより、浮遊構造の役割が確認された。