[论文解读] On-chip single-pump interferometric Josephson isolator for quantum measurements

Baleegh Abdo, Oblesh Jinka+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2020

Magneto-Optical Properties and Applications被引用 4

一句话总结

本文提出一种片上单泵浦约瑟夫森隔离器（JIS），可在无需依赖磁性材料的情况下，实现超导量子处理器中的非互易微波路由。通过采用两个非简并约瑟夫森混频器的干涉仪结构，该器件实现了单向信号传输，读出保真度达92%，T2E相干性保留率达75%，为低温环形器提供了一种可扩展的替代方案。

ABSTRACT

Nonreciprocal microwave devices, such as circulators and isolators, are critical in high-fidelity qubit readout schemes. They unidirectionally route the readout signals and protect the qubits against noise coming from the output chain. However, cryogenic circulators and isolators are prohibitive in scalable superconducting architectures because they rely on magneto-optical effects. Here, we realize an on-chip, single-microwave-pump Josephson ISolator (JIS), formed by coupling two nondegenerate Josephson mixers in an interferometric scheme. We unravel the interplay between the orientation parity of the magnetic fluxes, biasing the mixers, and the JIS directionality. Furthermore, we build a motherboard, which integrates the JIS and other superconducting components, including a Josephson directional amplifier, into a printed circuit and use it to read out a qubit with 92% fidelity, while maintaining 75% of its T2E. Improved versions of this motherboard could replace magnetic circulators and isolators in large superconducting quantum processors.

研究动机与目标

• 解决低温磁光环形器和隔离器在超导量子架构中面临的可扩展性限制。
• 开发一种完全集成于芯片上、无磁性的传统微波隔离器替代方案，可在毫开尔文温度下工作。
• 通过将隔离器与其他超导元件集成，实现在保持量子比特相干性的同时实现高保真度的量子比特读出。
• 证明在大规模量子处理器中，可用可扩展的、泵浦驱动的约瑟夫森基隔离器替代磁性环形器的可行性。

提出的方法

• 通过将两个非简并约瑟夫森混频器耦合，实现一种单微波泵浦驱动的约瑟夫森隔离器（JIS）的干涉仪方案。
• 通过施加于约瑟夫森混频器上的磁通量方向对称性控制信号的定向性。
• 将JIS与约瑟夫森方向性放大器及其他超导元件集成于印刷电路母板上。
• 使用单一微波泵浦信号驱动非简并混频过程，诱导非互易传输。
• 设计器件在毫开尔文温度下工作，与超导量子比特系统兼容。
• 采用干涉相位控制技术调节隔离方向，有效抑制反向信号传播。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不依赖磁性材料或外部磁体的情况下，在芯片上实现非互易微波隔离？
• RQ2 磁通量方向对称性在决定约瑟夫森隔离器方向性方面起什么作用？
• RQ3 单泵浦约瑟夫森隔离器是否能在大规模量子处理器架构中维持高量子比特相干性？
• RQ4 JIS与约瑟夫森方向性放大器集成后，对整体测量保真度和相干性有何影响？

主要发现

• 片上单泵浦约瑟夫森隔离器成功实现了无需磁性材料的非互易微波信号路由。
• 器件的方向性由施加于约瑟夫森混频器上的磁通量方向对称性控制。
• 在母板上集成JIS与方向性放大器后，量子比特读出保真度达到92%。
• 通过JIS测量时，量子比特的T2E相干性保留率达75%，表明隔离过程对相干性影响极小。
• 干涉仪设计有效抑制了反向传播噪声，保护了量子比特免受输出链路噪声影响。
• 所展示的母板架构具有可扩展性，适用于在大型超导量子处理器中替代传统磁性环形器。