[论文解读] A coaxial line architecture for integrating and scaling 3D cQED systems

Christopher Axline, Matthew J. Reagor+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 4被引用 24

一句话总结

本文提出一种同轴传输线架构，将三维电路量子电动力学（3D cQED）电路与高相干性和可扩展设计相结合。通过将光刻图案化的芯片嵌入无缝的3D铝波导屏蔽腔体内，该平台实现了约50 μs的单光子退相干时间，有效抑制串扰和寄生模式，并实现对芯片内及外部耦合的精确控制，从而支持复杂、相干的多量子比特系统。

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.

研究动机与目标

• 解决平面和3D cQED系统中因封装、连接器和损耗机制导致的相干性和可扩展性限制。
• 开发一种低损耗、可集成的平台，结合3D腔体的相干性与平面电路的光刻精度。
• 通过亚截止波导针的倏逝耦合，实现对芯片内元件（量子比特、谐振器、滤波器）与外部端口之间耦合的精确控制。
• 在单个3D屏蔽腔体内实现多个量子组件（量子比特、谐振器、Purcell滤波器）的高保真度集成。
• 展示与毫秒量级3D腔体的兼容性，从而在可扩展架构中实现长寿命量子资源。

提出的方法

• 使用无缝加工的铝制圆柱形波导作为3D屏蔽腔体和接地平面，构成同轴传输线结构。
• 在蓝宝石基板上利用铝材料光刻图案化谐振器、量子比特和滤波器，屏蔽腔体作为外导体。
• 在屏蔽腔体两端的亚截止波导中采用凹陷针实现倏逝耦合，通过光刻精度控制输入/输出耦合。
• 使用卡箍将芯片悬挂在屏蔽腔体内，以最小化电场穿透，降低机械和介质界面带来的损耗。
• 通过温度依赖的频率测量提取不同组件的动能电感分数和材料损耗正切值。
• 测量不同波导直径下的Q因子和退相干时间，以识别主要损耗机制并验证其缩放行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 同轴波导架构是否能在实现可扩展集成的同时，达到与传统3D cQED系统相当的相干性水平？
• RQ2 波导直径的选择如何影响系统的内部品质因数（Q_i）和损耗机制？
• RQ3 能否通过光刻定义的参数独立且精确地控制芯片内和外部耦合？
• RQ4 同轴架构中的主要损耗机制是什么？是否可通过差分测量方法将其隔离或界定？
• RQ5 该平台能否在不降低性能的前提下，将毫秒量级的3D腔体与芯片内组件相干集成？

主要发现

• 同轴线架构实现了约50 μs的单光子退相干时间，达到当前3D cQED系统的最先进水平。
• 谐振器和量子比特的退相干时间保持在高水平，测量谱中未检测到明显的串扰或寄生模式。
• 通过调节亚截止波导中针的深度，可精确控制组件间的耦合，实现宽动态范围且不损害封装完整性。
• 系统表现出Q_i对波导直径的强烈依赖性，表明损耗机制可能为非局域化或分布式的，与先前观察到的Q_i ∝ 模式体积关系一致。
• 对具有不同蓝宝石参与度（24–89%）的谐振器进行差分测量，发现基板场能量更高的模式Q_i高出约50%，表明基板损耗并非主要限制因素。
• 测得的Q_i值与波导表面损耗、薄膜铝或介质界面损耗单独作用的预测不一致，表明多个损耗源可能以相近水平共同贡献，或存在未考虑的机制（如涡旋效应或基板加工影响）。