[논문 리뷰] Modelling of TM Modes in Periodically-Shorted Cavities for Circuit QED

Peter Spring, Sophia Sosnina외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 04.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 투과 자기 모드(TM 모드)에 대한 정확한 분석 모델을 개발하며, 이를 통해 기판을 관통하는 비아 또는 기계 가공된 피라미드와 같은 유도성 쇄도로 주기적으로 단절된 초전도 양자 회로 공진기에서, 공진기 매개 상호작용 간섭과 큐비트 간 결합이 거리에 따라 지수적으로 감소함을 입증한다. 이 방법은 해로운 공진기 모드의 주파수를 높여 대규모 양자 프로세서에서 확장 가능하고 장거리 양자 얽힘 제어를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Superconducting quantum circuits are typically housed in conducting enclosures in order to control their electromagnetic environment. As devices grow in physical size, the electromagnetic modes of the enclosure come down in frequency and can introduce unwanted long-range cross-talk between distant elements of the enclosed circuit. Incorporating arrays of inductive shunts such as through-substrate vias or machined pillars can suppress these effects by raising these mode frequencies. Here, we derive simple, accurate models for the modes of enclosures that incorporate such inductive-shunt arrays. We use these models to predict that cavity-mediated inter-qubit couplings and drive-line cross-talk are exponentially suppressed with distance for arbitrarily large quantum circuits housed in such enclosures, indicating the promise of this approach for quantum computing. We find good agreement with a finite-element simulation of an example device containing more than 400 qubits.

연구 동기 및 목표

• 대규모 초전도 양자 회로에서 전자기 모드에 의해 유도되는 장거리 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 기판을 관통하는 비아 또는 기계 가공된 피라미드와 같은 주기적인 유도성 쇄도 어레이를 갖는 공진기에서 TM 모드의 거동을 모델링하기 위해.
• 이러한 구조에서 공진기 매개 상호작용 간섭과 드라이브 라인 간섭이 거리에 따라 지수적으로 감소함을 입증하기 위해.
• 실제 대규모 장치(예: 400개 이상 큐비트)의 고정밀 유한요소 시뮬레이션과 비교하여 분석 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 플로케 이론과 모드 전개 기법을 사용하여 주기적인 유도성 쇄도에 대한 효과적 경계 조건을 유도한다.
• TM 모드의 분산 관계를 캡처하기 위해 주기적인 임피던스 불연속성이 있는 파동도로 모델링한다.
• 주기적인 쇄도가 존재하는 상황에서 모드 주파수와 전자기장 분포를 계산하기 위해 전이 행렬 방법을 사용한다.
• 점근 분석을 적용하여 요소 간 거리에 따라 결합 강도가 지수적으로 감소하는 것을 보여준다.
• 실제 공진기에서 400개 이상 큐비트를 포함하는 전체 파장 유한요소 시뮬레이션과 분석 모델을 비교하여 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주기적인 유도성 쇄도는 초전도 공진기에서 TM 모드의 분산과 국소화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 이러한 쇄도 어레이가 대규모 양자 회로에서 공진기 매개 상호작용 간섭을 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ3 주기적으로 단절된 공진기에서 먼 큐비트 또는 드라이브 라인 간의 결합이 거리에 따라 지수적으로 감소하는가?
• RQ4 복잡한 대규모 장치 기하 구조에서 분석 모델은 전체 유한요소 시뮬레이션과 비교해 얼마나 정확한가?

주요 결과

• 주기적인 유도성 쇄도의 포함으로 저에너지 TM 모드의 주파수가 상승하여 큐비트 및 드라이브 라인 모드와의 겹침이 감소한다.
• 공진기 매개 상호작용 간섭과 드라이브 라인 간섭은 요소 간 거리가 증가할수록 지수적으로 감소한다.
• 분석 모델은 모드 주파수와 전자기장 분포를 정확하게 예측하며, 400개 이상 큐비트를 포함하는 장치의 유한요소 시뮬레이션과 양호한 일치를 보인다.
• 간섭의 지수적 감소는 국소 조정이나 복잡한 제어 시퀀스 없이도 확장 가능한 양자 계산 아키텍처를 가능하게 한다.