[论文解读] Spurious microwave crosstalk in floating superconducting circuits

Peng Zhao, Yingshan Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 6

一句话总结

本文識別出浮動超導轉子量子比特中此前被忽略的寄生微波串音通道，該通道源自量子比特浮動結構所支撐的自由模式——其中超導島嶼與地線隔離。即使不存在雜散耦合，此內在通道仍可導致顯著串音，從而限制量子比特的地址選擇性能，必須通過電路設計加以抑制，如通過不同幾何布局的分析建模所展示。

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.

研究动机与目标

• 識別並表徵浮動超導轉子量子比特中此前未被考慮的微波串音通道。
• 證明此串音源自浮動結構中的自由模式，與外部雜散耦合無關。
• 量化此寄生通道在不同量子比特幾何佈局下的貢獻。
• 表明此串音為內在性質，可能限制量子比特地址選擇性能，因此需在設計層級進行抑制。

提出的方法

• 對兩個直接耦合的浮動轉子量子比特進行量子電路分析，使用電荷與磁通變數建模系統。
• 推導簡化電容矩陣以識別耦合通道，分離出自由模式的貢獻。
• 在各種幾何佈局下分析系統，以確定寄生串音的強度。
• 將分析擴展至通過接地與浮動總線耦合器耦合的量子比特，顯示當存在自由模式時，此寄生通道仍持續存在。
• 在閘門與量子比特電容遠大於驅動與耦合電容的條件下使用微擾近似。
• 證明此寄生串音由浮動島嶼中的自由模式介導，而非直接或雜散耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 當驅動線或量子比特之間無雜散耦合時，浮動超導轉子量子比特中微波串音的成因是什麼？
• RQ2 浮動超導島嶼所支撐的自由模式如何貢獻於寄生串音？
• RQ3 此寄生串音通道在不同幾何佈局下對量子比特地址選擇性能的限制程度如何？
• RQ4 此串音是否可透過量子比特電路設計而非主動抵消來抑制？
• RQ5 與接地總線相比，浮動總線耦合器的存在如何影響寄生串音？

主要发现

• 由於浮動結構中的自由模式，浮動轉子量子比特中存在寄生微波串音通道，即使無任何雜散耦合。
• 此串音通道為內在性質，僅取決於量子比特的內部電路結構，與外部布線無關。
• 對於直接耦合的浮動量子比特，此寄生串音貢獻不可忽略，可能成為量子比特地址選擇性能的限制因素。
• 在浮動總線耦合系統中，浮動總線所支撐的自由模式會介導量子比特之間的串音，即使總線未接地。
• 此寄生通道的串音貢獻具有顯著的定量影響，可透過仔細的量子比特電路設計加以抑制。
• 接地總線配置不支持自由模式，因此該情況下不會產生此類寄生串音，從而確認浮動結構的作用。