Hohe Kohärenz und geringes Übersprechen in einer supraleitenden Qubit-Architektur

In einem neuen Bericht, der jetzt in veröffentlicht wurde Wissenschaftliche Fortschritte, Peter A. Spring und ein Team von Physikwissenschaftlern der Universität Oxford beschrieben Qubit-Kohärenz und geringes Übersprechen sowie Einzel-Qubit-Gate-Fehler in supraleitender Qubit-Architektur, die für zweidimensionale (2D) Gitter von Qubits geeignet ist. Der Versuchsaufbau umfasste ein induktiv überbrücktes Hohlraumgehäuse mit nicht galvanischer Steuerverdrahtung außerhalb der Ebene, Qubits und Resonatoren, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Substrats hergestellt wurden. Die Wissenschaftler entwickelten ein Proof-of-Concept-Gerät mit vier entkoppelten Transmon-Qubits, dh ein supraleitendes geladenes Qubit mit reduzierter Empfindlichkeit gegenüber Ladungsrauschen, um spezifische Merkmale aufzuweisen, die durch gleichzeitiges randomisiertes Benchmarking gemessen wurden. Die dreidimensionale integrierte Natur der Steuerverdrahtung ermöglichte es dem Qubit, adressierbar zu bleiben, da die Architektur größere Qubit-Gitter bildete.

Quantenarchitekt

Die Bemühungen, dreidimensionale (3D) Gitter mit einer Vielzahl von eingeschlossenen hochkohärenten Qubits zu bauen, sind herausragend Hardware-Herausforderung. Forscher haben zuvor entwickelt supraleitende Schaltungen als vielversprechende Plattform, um solche Gitter zu realisieren und einen universellen Gattersatz zu bilden. Typischerweise müssen zwei Anforderungssätze erfüllt werden, um solche supraleitenden Gitter zu skalieren, einschließlich eines Verfahrens zum Verlegen von Steuerkabeln zur Schaltung, damit alle Qubits adressierbar und messbar bleiben und gleichzeitig verhindert wird, dass niederfrequente Störmoden innerhalb der Schaltung entstehen zunehmende Dimensionen. Der Skalierungsprozess sollte auch Dekohärenzkanäle zu Qubits verhindern und mit Gattergenauigkeiten jenseits der Schwelle von Quantenfehlerkorrekturcodes kompatibel sein. Physiker hatten zuvor die Verdrahtungsgrenzen von randverbundenen Schaltungen über 3D-integrierte Steuerverdrahtung als praktische Lösung überwunden. Alternativ können Schaltungen in induktiv überbrückten Hohlräumen in zwei Dimensionen mit einer Grenzfrequenz um eingeschlossen werden Cavity-Modi. Spring et al. präsentierten experimentelle Ergebnisse in Bezug auf das letztere Konzept auf einer Vier-Qubit-Proof-of-Principle-Schaltung, bei der die Schaltungsarchitektur 3D-integrierte Out-of-Plane-Steuerverdrahtung, Qubits und Ausleseresonatoren umfasste, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Substrats hergestellt wurden. Das Team fügte auch eine wichtige neue Funktion für die Kompatibilität mit Transmon-Kohärenzzeiten hinzu, die 100 µs überschreiten, geringes Übersprechen und Single-Qubit-Gate-Fehler.

Gerätearchitektur und Nebensprechcharakterisierung

Die Forscher erhielten Bilder des Hohlraumgehäuses und des Schaltkreises, bei denen die Gehäusebasis eine einzelne zentrale „Säule“ und einen Deckel beibehielt, der eine passende zylindrische Aussparung enthielt, die mit a gefüllt war Kugel aus Indium. Sie ordneten die vier koaxialen Transmon-Qubits in einem 2 x 2-Gitter mit 2 mm Abstand an und implementierten dann ein Out-of-Plane-Verdrahtungsdesign mit induktivem Shunt-Design und ein Schaltungslayout, bei dem jeder Resonator koaxial ausgerichtet und kapazitiv gekoppelt war. zu einem Qubit. Der Aufbau ermöglichte es den Qubit-Elektroden, „elektrisch schwebend“ zu sein. Das Team erhielt die grundlegenden Schaltungsparameter und charakterisierte das Übersprechen des Geräts, wobei das Gerät eine Prinzipnachweis-Demonstration der Schaltungsarchitektur ohne absichtliche Kopplungen war, außer zwischen Qubit-Resonator-Paaren. Als Ergebnis identifizierten Spring et al. alle anderen Kopplungen als unerwünschtes Übersprechen. Das Team definierte dann die Begriffe des Übersprechens und fasste die experimentellen und simulierten parasitären Querkopplungen im Gerät zusammen, gefolgt von experimentellen Messungen von Qubit-Steuerleitung Selektivität und Selektivität der Resonatorsteuerleitung. Sie maßen auch die parasitäre Qubit-Resonator-Kopplung, um die parasitäre dispersive Verschiebung zwischen Qubit und Resonator zu verstehen. Gefolgt von Single-Qubit Randomisiertes Benchmarking an allen vier Qubits separat und gleichzeitig durchgeführt. Das Team führte jedes der 31 x 80 Experimente 5.000 Mal durch, um Statistiken zu erstellen und die resultierenden Fehler pro physikalischem Tor darzustellen und auch durchzuführen korreliertes randomisiertes Benchmarking basierend auf simultanen experimentellen Daten. Für Bandstruktursimulationen analysierten Spring et al Hochfrequenzstruktursimulator Modell einer Einheitszelle, die ideale Abmessungen des zentralen 2 mm x 2 mm-Bereichs der Vorrichtung enthielt. Anschließend kartierten sie die Bandstruktur während der Simulationen, während sie Details zur analytischen Grenzfrequenz, Bandkrümmung und Plasmahaut- und -tiefenvorhersagen innerhalb des Aufbaus sammelten.

Ausblick

Auf diese Weise analysierten Peter A. Spring und Kollegen durchschnittliche Qubit-Kohärenzzeiten und simultane Single-Qubit-Gate-Genauigkeiten in einer Vier-Qubit-Demonstration einer supraleitenden 3D-Schaltungsarchitektur. Vor der Einbeziehung der Qubit-Kopplungsschaltkreise hat das Team das Restnebensprechen des Aufbaus stark unterdrückt. Das ins Auge gefasste optimierte Gerät ist anwendbar, um korrelierte Fehler zu untersuchen, die daraus erzeugt werden hochenergetische Strahlung in Gittern von Qubits mit hoher Kohärenz und exponentiell unterdrücktem Übersprechen. Die aktuelle Architektur enthielt ein induktiv geshuntetes Hohlraumgehäuse, das die Schaltung eng umgab, kombiniert mit 3D-integrierter Out-of-Plane-Steuerverdrahtung und rückseitigen Ausleseresonatoren. Die Ergebnisse hoben das geringe Übersprechen des Versuchsaufbaus hervor. Die Gehäuseverpackung ist wiederverwendbar, indem die Indiumkugel in der Deckelaussparung umgeformt wird; die Schaltung war jedoch nicht mit dem Gehäuse verbunden und konnte daher nicht entfernt und wieder montiert werden. Die Wissenschaftler hoben mehrere Mängel des vorgestellten Geräts hervor, darunter die kleinen und variablen externen Resonator-Abklingraten und dispersiven Verschiebungen, die für Qubit-Auslesungen nicht optimal waren. Springet al. schrieb die erhöhte Kohärenz im Aufbau dem Herstellungsprozess zu, der sich unterschied aus früheren Implementierungen der Architektur.

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