[논문 리뷰] Multilayer microwave integrated quantum circuits for scalable quantum computing

T. Brecht, Wolfgang Pfaff외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 03.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 3D 초전도체 캐비티와 평면형 양자 회로를 통합하여 확장 가능하고 고코herence를 유지하는 양자 컴퓨팅을 가능하게 하는 다층 마이크로파 통합 양자 회로(MMIQC) 플랫폼을 제안한다. 마이크로기계 가공된 3D 캐비티를 전자기적 차폐 및 다층 배선에 사용함으로써, 큐비트, 공진기, 제어선 간의 밀도 높고 저손실 연결을 실현하고 교차 간섭을 억제하는 아키텍처를 제공한다. 이는 고성능 확장성과 고코herence 유지가 가능한 고신뢰성 양자 프로세서로의 길을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 소규모 장치를 초월해 초전도 양자 회로를 확장할 때 발생하는 교차 간섭과 손실 문제를 해결한다.
• 확장 가능한 아키텍처에서 큐비트, 공진기, 제어선 간에 고밀도이고 저손실인 인터커넥트를 실현한다.
• 3D 초전도체 캐비티를 사용해 양자 구성 요소를 격리함으로써 장기적인 코herence 시간을 유지한다.
• 고전적 제어 및 측정 전자 회로를 양자 회로에 가깝게 통합하여 지연 시간을 줄이고 성능을 향상시킨다.
• 대량 생산에 적합하고 고정밀 양자 작동을 가능하게 하는 단일체, 리소그래피로 제작된 플랫폼을 개발한다.

제안 방법

• 양자 구성 요소를 격리하고 불필요한 상호작용을 억제하기 위해 3D 초전도체 캐비티를 전자기 차폐막으로 사용한다.
• 유전체 손실을 최소화하기 위해 3D 캐비티 내의 비금속 표면에 평면 회로를 다층으로 제작한다.
• 마이크로기계 가공된 초전도 접합부와 웨이퍼 봉제를 활용해 고Q, 저손실 3D 캐비티 공진기를 제작한다.
• 제어 가능한 결합을 위해 차폐된 3D 모듈 내부에 평면 큐비트, 공진기, 조셉슨 접합 증폭기를 통합한다.
• 고밀도이고 저손실인 외부 연결을 위해 볼 그리드 어레이와 플립-칩 봉제를 활용한다.
• 기생 손실을 최소화하면서 평면 및 3D 구성 요소 간의 결합을 매개하기 위해 다층 전송선 공진기를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 초전도 양자 회로에서 교차 간섭과 코herence 손실는 어떻게 억제할 수 있는가?
• RQ2 3D 초전도체 캐비티는 양자 구성 요소를 효과적으로 격리하면서도 고코herence를 유지할 수 있는가?
• RQ3 마이크로기계 가공 및 초전도 봉제 기술을 사용해 평면 양자 회로를 3D 캐비티 내에 통합하는 것이 가능한가?
• RQ4 다층 아키텍처는 제어, 측정, 양자 버스 기능을 위한 저손실, 고밀도 인터커넥트를 달성할 수 있는가?
• RQ5 고전적 제어 전자 회로를 차폐된 단일체 구조 내에 양자 회로와 함께 위치시켜도 양자 성능이 떨어지지 않는가?

주요 결과

• 고품질 초전도 접합부와 다층 평면 결합을 갖춘 3D 마이크로기계 가공 공진기의 개념 증명용 제작 및 시험에 성공했다.
• 3D 캐비티 공진기가 고품질 인자(Q)와 저손실을 보이며, 마이크로기계 가공된 초전도 캐비티를 사용한 차폐 및 통합의 가능성을 확인했다.
• 3D 차폐를 통해 구성 요소 간의 선택적 결합을 실현하면서도 의도하지 않은 전자기 상호작용을 억제할 수 있었다.
• 다층 배선 및 3D 캐비티 통합은 대규모 양자 회로에 적합한 고밀도, 저손실 인터커넥트를 가능하게 했다.
• 리소그래피 정밀도로 큐비트, 공진기, 증폭기, 제어선을 하나의 단일체 구조에 통합할 수 있었다.
• 기존 제조 기술과 호환되며, 향후 실시간 피드백을 위한 고전적 '차가운' 전자 회로의 통합도 가능하다.