[论文解读] Modelling of TM Modes in Periodically-Shorted Cavities for Circuit QED

Peter Spring, Sophia Sosnina+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本文为通过衬底通孔或机加工柱等电感短路结构周期性短路的超导量子电路腔体中的横磁（TM）模建立了精确的解析模型，证明此类结构能随距离呈指数抑制腔体介导的串扰和比特间耦合。该方法通过提高有害腔模的频率，使大规模量子处理器能够实现可扩展的远距离相干控制。

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.

研究动机与目标

• 解决大规模超导量子电路中电磁模引起的远距离串扰挑战。
• 对具有周期性电感短路阵列（如通过衬底通孔或机加工柱）的腔体中TM模的行为进行建模。
• 证明在该类结构中，腔体介导的比特间耦合和控制线串扰随距离呈指数抑制。
• 通过大规模器件（例如 >400 个量子比特）的高保真度有限元仿真验证解析模型。

提出的方法

• 利用弗洛quet理论和模展开技术推导周期性电感短路的等效边界条件。
• 将腔体建模为具有周期性阻抗不连续性的波导，以捕捉TM模的色散关系。
• 采用传输矩阵法计算存在周期性短路时的模频率和场分布。
• 应用渐近分析证明耦合强度随元件间距增加而呈指数衰减。
• 将解析模型与具有超过400个量子比特的现实腔体的全波有限元仿真进行对比验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 周期性电感短路如何改变超导腔体中TM模的色散特性与局域化行为？
• RQ2 此类短路阵列在大规模量子电路中能在多大程度上抑制腔体介导的比特间耦合？
• RQ3 在周期性短路的腔体中，远距离量子比特或控制线之间的耦合是否随距离呈指数衰减？
• RQ4 在复杂的大规模器件几何结构中，解析模型与全有限元仿真相比准确性如何？

主要发现

• 周期性电感短路的引入提高了低能级TM模的频率，降低了其与量子比特和控制线模的重叠。
• 腔体介导的比特间耦合和控制线串扰随元件间距增加而呈指数抑制。
• 解析模型能准确预测模频率和场分布，与超过400个量子比特器件的有限元仿真结果高度一致。
• 串扰的指数抑制使得无需本地调谐或复杂控制序列即可实现可扩展的量子计算架构。