[论文解读] Full control of superconducting qubits with combined on-chip microwave and flux lines

Riccardo Manenti, Eyob A. Sete+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 27被引用 16

一句话总结

本文提出一种新型片上'XYZ线'，通过使用带有真空间隙的倒装芯片架构，将微波（XY）和通量（Z）控制线集成于单根导体中，实现了对超导量子比特的完整控制。该方法实现了高保真度单量子比特门（99.5%保真度）并保持了量子比特相干性（T1 ≈ 53 µs），证明了其在减少片上端口数量方面具备实现可扩展量子处理器的可行性。

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.

研究动机与目标

• 通过将微波与通量线合并，减少超导量子处理器中的片上控制线数量。
• 在集成双功能控制线的同时，保持高量子比特相干性与门保真度。
• 通过倒装芯片方法结合芯片与控制线之间的真空隔离，展示一种可扩展且紧凑的架构。
• 利用每个量子比特仅一根XYZ线，实现多路复用控制与参数化纠缠门。
• 解决平面芯片上电容式（微波）与电感式（通量）控制线之间耦合需求冲突的挑战。

提出的方法

• 采用倒装芯片键合技术，将控制线置于量子比特芯片上方的盖板上，形成控制线与量子比特之间27 µm的真空间隙。
• 在10 mK级使用低温复用器，将独立的微波（3–7 GHz）与通量（DC–1.5 GHz）信号合并并滤波至单一线路。
• 通过全波微波仿真设计XYZ线的几何结构，以平衡电容耦合（用于微波脉冲）与互感（用于通量控制）。
• 实现约500 nH的互感，并具备足够的电容耦合，可在标准低温系统中实现20 ns的π脉冲。
• 在盖板上采用网状接地平面，以屏蔽串扰并最小化噪声。
• 在复用器中使用eccosorb滤波器，抑制杂散高频光子引起的准粒子生成。

实验结果

研究问题

• RQ1 单根片上导线能否在不降低相干性的情况下，同时向超导量子比特输送微波脉冲与直流/射频通量信号？
• RQ2 何种几何与材料配置可实现在共用控制线中电容与电感耦合的平衡？
• RQ3 将XY与Z控制集成于单根XYZ线是否能保持门保真度高于99.5%？
• RQ4 倒装芯片架构中的真空间隙是否能消除平面控制线中电容与电感耦合之间的权衡？
• RQ5 XYZ线能否支持参数化纠缠门，从而实现可扩展的两量子比特操作？

主要发现

• XYZ线设计在所有四个量子比特上实现了53 µs的平均量子比特弛豫时间（T1），个体值范围为21至61 µs。
• 通过随机基准测试，单量子比特门保真度超过99.5%，最佳量子比特达到99.93%。
• 由于微波脉冲串扰导致的寄生频率调制仅为79 Hz，远低于量子比特线宽。
• 低温复用器成功实现微波与通量信号的合并，频带间隔离度超过20 dB，并在多次冷却循环中保持功能稳定。
• 该方法仅需每量子比特一根片上导线即可实现可调transmon量子比特的完整控制，将端口数量减少约50%。
• 理论建模证实，通过交流通量调制，XYZ线可支持参数化纠缠门，实现可扩展的两量子比特操作。