[논문 리뷰] A coaxial line architecture for integrating and scaling 3D cQED systems

Christopher Axline, Matthew J. Reagor외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 22.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 4인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 높은 양자 비가역성과 확장 가능한 설계를 갖춘 3D cQED 회로를 통합하는 코axial 전송선 구조를 소개한다. 레이저 조각된 칩를 무결성 있는 3D 알루미늄 파이프 봉우리에 내장함으로써, 이 플랫폼은 약 ~50 μs의 단일 광자 붕괴 시간을 달성하고, 교차 간섭과 잡음 모드를 억제하며, 정밀한 내부 및 외부 커플링 제어를 가능하게 하여 복잡한 다중 요소 양자 시스템을 실현한다.

ABSTRACT

Numerous loss mechanisms can limit coherence and scalability of planar and 3D-based circuit quantum electrodynamics (cQED) devices, particularly due to their packaging. The low loss and natural isolation of 3D enclosures make them good candidates for coherent scaling. We introduce a coaxial transmission line device architecture with coherence similar to traditional 3D cQED systems. Measurements demonstrate well-controlled external and on-chip couplings, a spectrum absent of cross-talk or spurious modes, and excellent resonator and qubit lifetimes. We integrate a resonator-qubit system in this architecture with a seamless 3D cavity, and separately pattern a qubit, readout resonator, Purcell filter and high-Q stripline resonator on a single chip. Device coherence and its ease of integration make this a promising tool for complex experiments.

연구 동기 및 목표

• 패키징, 커넥터, 손실 메커니즘으로 인한 평면형 및 3D cQED 시스템의 비가역성 및 확장성 한계를 해결한다.
• 저손실, 통합 가능한 플랫폼을 개발하여 3D 공진기의 비가역성과 평면 회로의 리소그래피 정밀도를 결합한다.
• 하나의 파이프 끝에 있는 서브-컷오프 파이프 핀을 통한 응집 모드 커플링을 이용해 내부 요소(큐비트, 공진기, 필터)와 외부 포트 사이의 제어 가능한 커플링을 실현한다.
• 3D 봉우리 내부에 하나의 칩에 다수의 양자 구성요소(큐비트, 공진기, 푸르셀 필터)를 고성능으로 통합한다.
• 밀리초 수준의 3D 공진기를 이 플랫폼과 함께 사용할 수 있도록 하여 확장 가능한 아키텍처에서 장수명의 양자 자원을 실현한다.

제안 방법

• 무결성 있는 CNC 가공된 알루미늄 실린더 파이프를 3D 봉우리 및 지상 평면으로 사용하여 코axial 전송선을 형성한다.
• 알루미늄을 사용해 사파이어 기판에 공진기, 큐비트, 필터를 리소그래피로 조각하고, 봉우리가 외부 도체 역할을 한다.
• 각 봉우리 끝에 있는 서브-컷오프 파이프 내에 함몰된 핀을 사용해 응집 모드 커플링을 실현하고, 리소그래피 정밀도로 입력/출력 커플링을 제어한다.
• 클램프를 사용해 칩를 봉우리 내부에 매달아 전자기장 침투를 최소화하고 기계적 및 유전체 인터페이스에서의 손실을 감소시킨다.
• 온도 의존 주파수 측정을 통해 다양한 구성요소의 운동량 유도율 비율과 고정된 재료 손실 탄젠트를 추출한다.
• 다양한 파이프 지름에서 Q 인자와 붕괴 시간을 측정하여 주요 손실 메커니즘을 규명하고 스케일링 행동을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코어 전송선 구조가 전통적인 3D cQED 시스템과 비슷한 비가역성 수준을 달성하면서도 확장 가능한 통합을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 파이프 지름의 선택이 시스템 내부 품질 인자(Q_i)와 손실 메커니즘에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 리소그래피로 정의된 파rameter를 통해 내부 및 외부 커플링을 독립적이고 정밀하게 제어할 수 있는가?
• RQ4 코어 전송선 구조에서 주요 손실 메커니즘은 무엇이며, 차등 측정을 통해 이를 고립하거나 경계할 수 있는가?
• RQ5 이 플랫폼에서 밀리초 수준의 3D 공진기와 내부 구성요소를 비가역적으로 통합할 수 있는가? 성능 저하 없이?

주요 결과

• 코어 전송선 구조는 약 50 μs의 단일 광자 붕괴 시간을 달성하여 기존 3D cQED 시스템의 최첨단 성능과 동일한 수준이다.
• 공진기 및 큐비트 수명은 높은 수준을 유지하며, 측정된 스펙트럼에서 검출 가능한 교차 간섭이나 잡음 모드가 없다.
• 서브-컷오프 파이프 내 핀의 깊이 조절을 통해 구성요소 간 커플링이 잘 제어되며, 패키지 무결성에 영향을 주지 않으면서 넓은 다이내믹 레인지의 제어가 가능하다.
• Q_i가 파이프 지름에 강하게 의존함을 보여, 국소화되지 않은 또는 분포된 손실 메커니즘이 존재함을 시사하며, Q_i ∝ 모드 부피의 이전 관측과 일치한다.
• 다양한 사파이어 참여도(24–89%)를 가진 공진기에서의 차등 측정 결과, 더 높은 기판 필드 에너지가 포함된 모드에서 Q_i가 약 50% 높게 나타나, 기판 손실이 주요 제한 요소가 아님을 시사한다.
• 측정된 Q_i 값은 파이프 표면의 손실, 박막 알루미늄, 또는 유전체 인터페이스 손실만으로는 설명되지 않으며, 여러 손실 원인이 유사 수준으로 기여하거나, 비트론, 기판 가공 효과 등 고려하지 않은 메커니즘이 존재할 가능성을 시사한다.