[论文解读] Multilayer microwave integrated quantum circuits for scalable quantum computing

T. Brecht, Wolfgang Pfaff+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2015

Quantum and electron transport phenomena被引用 32

一句话总结

本文提出了一种多层微波集成电路（MMIQC）平台，将3D超导屏蔽腔与平面量子电路集成，以实现可扩展的、高相干性的量子计算。通过使用微机械加工的3D腔体实现电磁屏蔽，并采用多层布线，该架构抑制了串扰，实现了量子比特、谐振器与控制线之间高密度、低损耗的连接，为实现具有增强可扩展性和相干性保持能力的容错量子处理器提供了可行路径。

ABSTRACT

As experimental quantum information processing (QIP) rapidly advances, an emerging challenge is to design a scalable architecture that combines various quantum elements into a complex device without compromising their performance. In particular, superconducting quantum circuits have successfully demonstrated many of the requirements for quantum computing, including coherence levels that approach the thresholds for scaling. However, it remains challenging to couple a large number of circuit components through controllable channels while suppressing any other interactions. We propose a hardware platform intended to address these challenges, which combines the advantages of integrated circuit fabrication and long coherence times achievable in three-dimensional circuit quantum electrodynamics (3D cQED). This multilayer microwave integrated quantum circuit (MMIQC) platform provides a path toward the realization of increasingly complex superconducting devices in pursuit of a scalable quantum computer.

研究动机与目标

• 解决在小型设备之外扩展超导量子电路时面临的串扰与损耗挑战。
• 在可扩展架构中实现量子比特、谐振器与控制线之间高密度、低损耗的互连。
• 通过3D超导屏蔽腔隔离量子元件，以保持长相干时间。
• 将经典控制与测量电子器件紧密集成于量子电路，以降低延迟并提升性能。
• 开发一种单片式、光刻工艺制造的平台，兼容大规模生产与高保真度的量子操作。

提出的方法

• 使用3D超导屏蔽腔作为电磁屏蔽，隔离量子元件并抑制非期望的相互作用。
• 在3D腔体内非金属化表面实现平面电路的多层制造，以最小化介电损耗。
• 采用微机械加工的超导接缝与晶圆键合技术，制造高品质、低损耗的3D腔体谐振器。
• 在屏蔽的3D模块内集成平面量子比特、谐振器与约瑟夫森结放大器，实现受控耦合。
• 利用球栅阵列与倒装芯片键合技术，实现与控制与读出电子器件之间高密度、低损耗的外部连接。
• 应用多层传输线谐振器，以最小寄生损耗实现平面与3D元件之间的耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大规模超导量子电路中，如何抑制串扰与退相干？
• RQ2 3D超导屏蔽腔是否能有效隔离量子元件，同时保持高相干性？
• RQ3 是否可行通过微机械加工与超导键合技术，将平面量子电路集成于3D腔体内？
• RQ4 多层架构能否实现用于控制、读出与量子总线功能的低损耗、高密度互连？
• RQ5 能否在屏蔽的单片结构中将经典控制电子器件与量子电路共置，而不降低量子性能？

主要发现

• 成功制造并测试了原理验证用的3D微机械加工谐振器，其具有高品质超导接缝与多层平面耦合结构。
• 3D腔体谐振器表现出高Q值与低损耗，证实了采用微机械加工超导屏蔽腔实现屏蔽与集成的可行性。
• 该平台可在保持选择性耦合的同时，通过3D屏蔽有效抑制非期望的电磁相互作用。
• 多层布线与3D腔体集成支持高密度、低损耗的互连，适用于大规模量子电路。
• 该架构支持在单个单片结构中集成量子比特、谐振器、放大器与控制线，且具有光刻精度。
• 该方法兼容现有制造工艺，并可实现未来经典“低温”电子器件的集成，以支持实时反馈。