[논문 리뷰] Full control of superconducting qubits with combined on-chip microwave and flux lines

Riccardo Manenti, Eyob A. Sete외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 13.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 27인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 마이크로파(XY) 및 플럭스(Z) 제어 라인을 단일 도체에 통합한 새로운 온칩 'XYZ 라인'을 제안한다. 플립칩 아키텍처와 진공 갭을 사용하여 초도체 큐비트를 완전히 제어할 수 있으며, 높은 정밀도의 단일 큐비트 게이트(99.5%의 정밀도)를 달성하고 큐비트의 공명 시간을 유지한다(T1 ≈ 53 µs). 이는 포트 수를 줄여 스케일러블한 양자 프로세서를 실현할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

As the field of quantum computing progresses to larger-scale devices, multiplexing will be crucial to scale quantum processors. While multiplexed readout is common practice for superconducting devices, relatively little work has been reported about the combination of flux and microwave control lines. Here, we present a method to integrate a microwave line and a flux line into a single "XYZ line". This combined control line allows us to perform fast single-qubit gates as well as to deliver flux signals to the qubits. The measured relaxation times of the qubits are comparable to state-of-art devices employing separate control lines. We benchmark the fidelity of single-qubit gates with randomized benchmarking, achieving a fidelity above 99.5%, and we demonstrate that XYZ lines can in principle be used to run parametric entangling gates.

연구 동기 및 목표

• 마이크로파 및 플럭스 제어 라인을 통합하여 초도체 큐비트 프로세서의 온칩 제어 라인 수를 줄이기 위해.
• 이중 기능을 가진 제어 라인을 통합함에도 불구하고 높은 큐비트 공명 시간과 게이트 정밀도를 유지하기 위해.
• 큐비트와 제어 라인 간의 진공 갭을 활용한 플립칩 방식을 통해 스케일러블하고 컴act한 아키텍처를 구현하기 위해.
• 큐비트당 단일 XYZ 라인으로 다중 제어 및 매개변수적 얽힘 게이트를 가능하게 하기 위해.
• 평면형 칩에서 용량성(마이크로파) 및 유도성(플럭스) 제어 라인 간의 충돌하는 결합 요구 조건 문제를 해결하기 위해.

제안 방법

• 제어 라인을 큐비트 칩 위에 위치한 컵 위에 플립칩 접합 기술을 사용하여 배치하여, XYZ 라인과 큐비트 사이에 27 µm의 진공 갭을 형성한다.
• 10 mK 단계에서 마이크로파(3–7 GHz) 및 플럭스(DC–1.5 GHz) 신호를 단일 선로에 결합하고 필터링하기 위해 냉각용 딤플렉서를 사용한다.
• 전체 파장 마이크로파 시뮬레이션을 통해 XYZ 라인의 기하학적 형상을 설계하여 용량성 결합(마이크로파 펄스용)과 상호 유도성(플럭스 제어용)을 균형 있게 조절한다.
• 약 500 nH의 상호 유도성을 달성하고, 표준 냉장고 설정에서 20 ns π-펄스를 구현할 수 있는 충분한 용량성 결합을 확보한다.
• 교차 캐리어 간섭을 차단하고 노이즈를 최소화하기 위해 컵 위에 메쉬형 지상 평면을 사용한다.
• 스트레이 고주파수 광자로 인한 준입자 생성을 억제하기 위해 딤플렉서에 에코소브 필터를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 온칩 라인이 초도체 큐비트에 마이크로파 펄스와 DC/RF 플럭스 신호를 동시에 제공하면서도 공명 시간을 떨어뜨리지 않을 수 있는가?
• RQ2 어떤 기하학적 및 재료 구성이 공유된 제어 라인에서 용량성 및 유도성 결합을 균형 있게 유지할 수 있는가?
• RQ3 XY 및 Z 제어를 단일 XYZ 라인에 통합함으로써 99.5% 이상의 게이트 정밀도를 유지할 수 있는가?
• RQ4 플립칩 아키텍처에서의 진공 갭이 평면형 제어 라인에서 용량성 및 유도성 결합 간의 상충 관계를 제거하는가?
• RQ5 XYZ 라인이 매개변수적 얽힘 게이트를 지원하여 스케일러블한 이중 큐비트 연산을 가능하게 하는가?

주요 결과

• XYZ 라인 설계는 네 개의 큐비트 전역에서 중앙값으로 53 µs의 큐비트 감쇠 시간(T1)을 달성했으며, 개별 값은 21에서 61 µs 사이였다.
• 랜덤라이즈드 래퍼런싱을 통한 단일 큐비트 게이트 정밀도는 99.5%를 초과했으며, 가장 우수한 큐비트는 99.93%에 도달했다.
• 교차 캐리어로 인한 잡음 주파수 변조는 79 Hz에 불과하여 큐비트의 선형 폭보다 훨씬 낮았다.
• 냉각용 딤플렉서는 마이크로파 및 플럭스 신호를 >20 dB의 대역 간 분리도를 유지하며 성공적으로 결합했으며, 수차례 냉각 사이클 동안도 기능을 유지했다.
• 큐비트당 단일 온칩 라인으로만 조절이 가능하여 포트 수를 약 50% 감소시켰다.
• 이론적 모델링은 XYZ 라인이 교류 플럭스 변조를 통해 매개변수적 얽힘 게이트를 지원할 수 있음을 확인하였으며, 이는 스케일러블한 이중 큐비트 연산을 가능하게 한다.