[논문 리뷰] On-chip single-pump interferometric Josephson isolator for quantum measurements

Baleegh Abdo, Oblesh Jinka외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 02.

Magneto-Optical Properties and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 자성 재료에 의존하지 않고 초전도 양자 프로세서에서 비대칭 마이크로파 루팅을 가능하게 하는 온칩, 단일 펌프 주현상 격리기(JIS)를 제안한다. 두 개의 비동등 주현상 혼합기로 구성된 간섭계 구조를 통해 장치는 92%의 큐비트 읽기 정확도와 75%의 T2E 동기 유지율을 달성하며, 냉각된 순환기의 확장 가능한 대안을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초전도 양자 아키텍처에서 냉각된 자성광학 순환기 및 격리기의 확장성 한계를 해결하기 위해.
• 밀리켈빈 온도에서 작동하는 완전히 온칩화된 비자성 대체 기술을 개발하기 위해.
• 큐비트의 동기 유지와 높은 정확도의 큐비트 읽기 정확도를 동시에 확보하기 위해, 격리기를 초전도 구성 요소와 통합하기 위해.
• 대규모 양자 프로세서에서 전통적인 자성 순환기를 대체할 수 있는 확장 가능한, 펌프 구동 주현상 기반 격리기의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 비동등 주현상 혼합기를 연결하여 단일 마이크로파 펌프로 구동되는 주현상 격리기(JIS)를 설계한 간섭계 기반 기법을 구현한다.
• 주현상 혼합기에 가해진 자기장의 방향성 대칭성으로 신호의 방향성을 제어한다.
• 프린트 회로 모체에 JIS와 주현상 방향성 증폭기 및 기타 초전도 구성 요소를 통합한다.
• 비동등 혼합 과정을 유도하고 비대칭 전파를 유도하기 위해 단일 마이크로파 펌프 톤을 사용한다.
• 초전도 큐비트 시스템과 호환되는 밀리켈빈 온도에서 작동하도록 장치를 설계한다.
• 간섭계 위상 제어를 통해 격리 방향을 조절하고 반대 방향 신호 전파를 억제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자성 재료나 외부 자석에 의존하지 않고 온칩에서 비대칭 마이크로파 격리를 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 자기장 방향성 대칭성이 주현상 격리기의 방향성에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ3 단일 펌프 주현상 격리기는 대규모 양자 프로세서 아키텍처에서 읽기 과정 중 큐비트의 높은 동기 유지율을 유지할 수 있는가?
• RQ4 JIS와 주현상 방향성 증폭기의 통합이 전체 측정 정확도와 동기 유지율에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 온칩 단일 펌프 주현상 격리기는 자성 재료를 사용하지 않고도 비대칭 마이크로파 신호 루팅을 성공적으로 달성한다.
• 장치의 방향성은 주현상 혼합기에 가해진 자기장의 방향성 대칭성에 의해 제어된다.
• 모체 기판에 통합된 JIS와 방향성 증폭기를 사용할 경우 큐비트 읽기 정확도가 92%에 도달한다.
• JIS를 통해 측정할 경우 큐비트는 T2E의 75%를 유지하며, 격리 과정에서의 열화가 최소화됨을 나타낸다.
• 간섭계 설계 덕분에 반대 방향 전파되는 노이즈가 효과적으로 억제되어 큐비트가 출력 체인의 노이즈로부터 보호된다.
• 시연된 모체 기반 아키텍처는 확장 가능하며, 대규모 초전도 양자 프로세서에서 전통적인 자성 순환기를 대체하는 데 적합하다.