[논문 리뷰] Spurious microwave crosstalk in floating superconducting circuits

Peng Zhao, Yingshan Zhang외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 08.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 떠 있는 초전도 큐비트인 플로ating 초전도 트랜스몬 큐비트에서 기존에 간과되었던 비정상적인 마이크로파 코어스틸링 채널을 규명한다. 이 채널은 초전도 고립체가 지면에서 분리된 구조에서 지원하는 자유 모드에서 기인하며, 외부의 불필요한 결합이 없더라도 이 내재된 채널이 상당한 코어스틸링을 유도한다. 이는 큐비트 주소 지정 성능을 제한할 수 있으며, 다양한 기하 구조 레이아웃을 통해 분석 모델링을 통해 제안된 회로 설계를 통해 완화되어야 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 플로팅 초전도 트랜스몬 큐비트에서 이전에 고려되지 않은 마이크로파 코어스틸링 채널을 규명하고 특성화하는 것.
• 이 코어스틸링이 외부의 불필요한 결합과 무관하게 플로팅 구조에서 지원하는 자유 모드에서 기인한다는 것을 입증하는 것.
• 다양한 큐비트 기하 구조 레이아웃에서 이 비정상적인 채널의 기여도를 정량화하는 것.
• 이 코어스틸링이 내재적임을 보여주고 큐비트 주소 지정 성능을 제한할 수 있으며, 따라서 설계 수준에서의 완화가 필요하다는 것을 밝히는 것.

제안 방법

• 직접 결합된 플로팅 트랜스몬 큐비트 두 개에 대해 양자 회로 분석을 수행하며, 시스템을 전하 및 플럭스 변수로 모델링한다.
• 결합 채널을 규명하기 위해 감소된 용량 행렬을 유도하며, 자유 모드 기여도를 분리한다.
• 다양한 기하 구조 레이아웃에서 분석하여 비정상적인 코어스틸링의 강도를 평가한다.
• 기초화된 및 플로팅 버스 커퍼를 통한 큐비트 결합에 분석을 확장하여, 자유 모드가 존재할 경우 이 비정상적인 채널이 여전히 유지됨을 보여준다.
• 게이트 및 큐비트 용량이 드라이브 및 결합 용량보다 훨씬 클 조건 하에서 페르투르바티브 근사법을 사용한다.
• 비정상적인 코어스틸링이 직접 또는 불필요한 결합이 아닌, 플로팅 고립체 내 자유 모드를 통해 매개된다는 것을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 드라이브 라인이나 큐비트 간에 불필요한 결합이 존재하지 않을 때, 플로팅 초전도 큐비트에서 마이크로파 코어스틸링은 무엇에 의해 발생하는가?
• RQ2 플로팅 초전도 고립체에서 지원하는 자유 모드는 비정상적인 코어스틸링에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 이 비정상적인 코어스틸링 채널은 다양한 기하 구조 레이아웃에서 큐비트 주소 지정 성능을 어느 정도 제한하는가?
• RQ4 이 코어스틸링은 활성 보정이 아닌 큐비트 회로 설계를 통해 완화될 수 있는가?
• RQ5 기초화된 버스와 비교할 때, 플로팅 버스 커퍼가 존재할 경우 비정상적인 코어스틸링에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 플로팅 트랜스몬 큐비트에는 외부의 불필요한 결합이 없더라도 플로팅 구조 내 자유 모드에서 기인한 비정상적인 마이크로파 코어스틸링 채널이 존재한다.
• 이 코어스틸링 채널은 내재적이며 큐비트의 내부 회로 구조에만 의존하며, 외부 배선과는 무관하다.
• 직접 결합된 플로팅 큐비트의 경우, 이 비정상적인 코어스틸링 기여도는 무시할 수 없으며 큐비트 주소 지정 성능을 제한하는 요소가 될 수 있다.
• 플로팅 버스 커퍼를 통한 시스템에서는 플로팅 버스가 지원하는 자유 모드가 큐비트 간 코어스틸링을 매개하며, 버스가 접지되지 않은 상태에서도 여전히 작용한다.
• 이 비정상적인 채널에서 기인하는 코어스틸링 기여도는 정량적으로 의미가 있으며, 철저한 큐비트 회로 설계를 통해 억제될 수 있다.
• 기초화된 버스 구성은 자유 모드를 지원하지 않기 때문에, 이 경우 비정상적인 코어스틸링이 발생하지 않으며, 플로팅 구조의 역할을 확인한다.