[论文解读] 3D integration and packaging for solid-state qubits

D. Rosenberg, Steven Weber+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2019

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用 33

一句话总结

本文综述了用于提升固态量子比特可扩展性、微波控制与低温性能的三维集成与封装策略，包括翻芯片、空气桥和穿基底通孔方法，并关注降低损耗和杂散模的策略。

ABSTRACT

Developing a packaging scheme that meets all of the requirements for operation of solid-state qubits in a cryogenic environment can be a formidable challenge. In this article, we discuss work being done in our group as well as in the broader community, focusing on the role of 3D integration and packaging in quantum processing with solid-state qubits.

研究动机与目标

• 在量子计算中激励对可扩展固态量子比特的需求，并概述DiVincenzo标准的考量。
• 评估封装与三维集成方法，以减少互连拥挤并改善微波控制。
• 确定在低温运行中定制微波环境并抑制杂散模的方法。
• 讨论从量子比特到室温以及跨多芯片堆叠的信号路由策略。
• 突出结合集成封装架构的量子比特处理器扩展的未来方向。

提出的方法

• 讨论三维集成为量子比特阵列互连拥挤问题提供的解决方案。
• 介绍超导空气桥和翻芯片键合作为穿越电线和连接层的途径。
• 描述用于垂直布线、降低损耗的超导穿基底通孔（TSV）。
• 利用微波仿真和共振腔测量来评估TSV跃迁与损耗（Q 值）。
• 说明通过外壳、盖子和多层结构来将量子比特屏蔽于非预期模的方法。
• 概述低温互连平台及不同路由方案的权衡取舍。

实验结果

研究问题

• RQ1 三维集成与封装如何缓解固态量子比特阵列中的互连瓶颈？
• RQ2 与 TSV 跃迁相关的损耗机制有哪些，它们如何影响量子比特的相干性？
• RQ3 如何设计微波环境以在低温封装中最小化串扰和杂散模？
• RQ4 在可扩展系统中从量子比特到室温的信号路由有哪些有效策略？
• RQ5 哪些未来的封装架构能够实现超百量子比特的扩展？

主要发现

• 具有紧凑横截面的超导 TSV 能维持低损耗和高良率，链接数可达数千。
• 翻芯片集成保持的量子比特寿命与单芯片实现相当（约 20 μs）。
• 在合适的 CPW 设计下，微波 TSV 跃迁的模拟反射可以优于 -30 dB，谐振腔 Q 因子在 100,000 到 300,000 之间，表明损耗低。
• 地平面连接和基于通孔的中介体可以减少杂散腔模和微波串扰。
• 屏蔽外壳和微机加工腔体显示出隔离量子比特、实现高 Q 储存模块的潜力。
• 低温控制电子学（SFQ 与低温 CMOS）为实现可扩展的量子比特控制提供途径，同时解决准粒子污染问题。