Cohérence élevée et faible diaphonie dans une architecture qubit supraconductrice

Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Avancées scientifiques, Peter A. Spring et une équipe de scientifiques en physique de l’Université d’Oxford ont décrit la cohérence des qubits et la faible diaphonie et les erreurs de porte à un seul qubit dans l’architecture qubit supraconductrice, adaptée aux réseaux bidimensionnels (2D) de qubits. La configuration expérimentale impliquait une enceinte à cavité shuntée par induction avec un câblage de commande non galvanique hors du plan, des qubits et des résonateurs fabriqués sur les côtés opposés d’un substrat. Les scientifiques ont développé un dispositif de preuve de concept comprenant quatre qubits transmons, c’est-à-dire un qubit chargé supraconducteur avec une sensibilité réduite au bruit de charge, pour présenter des caractéristiques spécifiques mesurées via un benchmarking randomisé simultané. La nature intégrée tridimensionnelle du câblage de contrôle a permis au qubit de rester adressable car l’architecture formait des réseaux de qubit plus grands.

Architecte quantique

Les efforts pour construire des treillis tridimensionnels (3D) avec une multitude de qubits hautement cohérents enfermés est un remarquable défi matériel. Les chercheurs ont déjà développé circuits supraconducteurs comme plate-forme prometteuse pour réaliser de tels treillis et former un ensemble de portes universel. En règle générale, deux ensembles d’exigences doivent être remplies pour mettre à l’échelle de tels réseaux supraconducteurs, y compris une méthode pour acheminer le câblage de contrôle vers le circuit permettant à tous les qubits de rester adressables et mesurables, tout en empêchant l’émergence de modes parasites à basse fréquence dans le circuit avec dimensions croissantes. Le processus de mise à l’échelle doit également empêcher la décohérence des canaux vers les qubits et être compatible avec les fidélités de porte au-delà du seuil des codes de correction d’erreur quantique. Les physiciens avaient auparavant surmonté les limites de câblage des circuits connectés en périphérie via un câblage de contrôle intégré 3D comme solution pratique. Alternativement, les circuits peuvent être enfermés dans des cavités shuntées par induction en deux dimensions avec une fréquence de coupure à modes de cavité. Spring et al ont présenté des résultats expérimentaux relatifs à ce dernier concept sur un circuit de preuve de principe à quatre qubits, où l’architecture du circuit comportait un câblage de commande hors plan intégré 3D, des qubits et des résonateurs de lecture fabriqués sur les côtés opposés d’un substrat. L’équipe a également inclus une nouvelle fonctionnalité clé pour la compatibilité avec les temps de cohérence transmon, dépassant 100 µs, une faible diaphonie et des erreurs de porte à un seul qubit.

Architecture de l’appareil et caractérisation de la diaphonie

Les chercheurs ont obtenu des images de l’enceinte et du circuit de la cavité, où la base de l’enceinte maintenait un seul « pilier » central et un couvercle contenant un évidement cylindrique assorti rempli d’un boule d’indium. Ils ont disposé les quatre qubits transmon coaxiaux dans un réseau 2 x 2 avec un espacement de 2 mm, puis ont mis en œuvre une conception de câblage hors plan avec une conception de shunt inductif et une disposition de circuit, où chaque résonateur était aligné coaxialement et couplé de manière capacitive. à un qubit. La configuration a permis aux électrodes qubit d’être « flottantes électriquement ». L’équipe a obtenu les paramètres de base du circuit et caractérisé la diaphonie de l’appareil, où l’appareil était une démonstration de principe de l’architecture du circuit sans couplages intentionnels, sauf entre les paires qubit-résonateur. En conséquence, Spring et al ont identifié tous les autres couplages comme une diaphonie indésirable. L’équipe a ensuite défini les termes de la diaphonie et résumé les couplages transversaux parasites expérimentaux et simulés dans le dispositif suivi de mesures expérimentales de ligne de contrôle qubit sélectivité et sélectivité de la ligne de commande du résonateur. Ils ont également mesuré le couplage parasite qubit-résonateur pour comprendre le décalage dispersif parasite entre le qubit et le résonateur. Suivi par un seul qubit analyse comparative aléatoire effectuée sur les quatre qubits séparément et simultanément. L’équipe a mené chacune des 31 x 80 expériences, 5 000 fois pour établir des statistiques et a présenté les portes d’erreur par physique résultantes, et a également effectué benchmarking randomisé corrélé sur la base de données expérimentales simultanées. Pour les simulations de structure de bande, Spring et al ont analysé le simulateur de structure haute fréquence modèle d’une cellule unitaire contenant les dimensions idéales de la région centrale de 2 mm x 2 mm de l’appareil. Ils ont ensuite cartographié la structure de la bande pendant les simulations tout en recueillant des détails sur la fréquence de coupure analytique, la courbure de la bande et les prévisions de peau et de profondeur du plasma dans la configuration.

Perspectives

De cette manière, Peter A. Spring et ses collègues ont analysé les temps de cohérence moyens des qubits et les fidélités de porte simultanées à un seul qubit dans une démonstration à quatre qubits d’une architecture de circuit supraconducteur 3D. Avant l’inclusion des circuits de couplage qubit, l’équipe a fortement supprimé la diaphonie résiduelle de la configuration. Le dispositif optimisé envisagé est applicable pour étudier les erreurs corrélées générées à partir de rayonnement à haute énergie dans des réseaux de qubits avec une cohérence élevée et une diaphonie supprimée de manière exponentielle. L’architecture actuelle contenait une enceinte à cavité shuntée par induction entourant étroitement le circuit, combinée à un câblage de commande hors plan intégré 3D et à des résonateurs de lecture inversés. Les résultats ont mis en évidence la faible diaphonie de la configuration expérimentale. L’emballage du boîtier est réutilisable en remodelant la bille d’indium dans l’évidement du couvercle ; cependant, le circuit n’était pas lié au boîtier et ne pouvait donc pas être retiré et remonté. Les scientifiques ont mis en évidence plusieurs lacunes du dispositif présenté, notamment les taux de désintégration externes faibles et variables du résonateur et les décalages dispersifs qui n’étaient pas optimaux pour les lectures de qubit. Printemps et al. a attribué la cohérence accrue de la configuration au processus de fabrication, qui différait des implémentations précédentes de l’architecture.

© 2022 Réseau Science X