Høy koherens og lav krysstale i en superledende qubit-arkitektur

I en ny rapport som nå er publisert i Vitenskapens fremskrittPeter A. Spring og et team av forskere i fysikk ved Oxford University beskrev qubit-koherens og lav krysstale- og enkelt-qubit-gatefeil i superledende qubit-arkitektur, egnet for todimensjonale (2D) gitter av qubits. Det eksperimentelle oppsettet involverte et induktivt shuntet hulromskap med ikke-galvaniske kontrollledninger utenfor planet, qubits og resonatorer produsert på motsatte sider av et substrat. Forskerne utviklet en proof-of-concept-enhet med fire ukoblede transmon qubits, dvs. en superledende ladet qubit med redusert følsomhet for ladestøy, for å vise spesifikke egenskaper målt via samtidig randomisert benchmarking. Den tredimensjonale integrerte naturen til kontrollkablingen tillot qubiten å forbli adresserbar ettersom arkitekturen dannet større qubit-gitter.

Kvantearkitekt

Arbeidet med å bygge tredimensjonale (3D) gitter med en rekke svært koherente qubits innesluttet er enestående maskinvareutfordring. Forskere har tidligere utviklet superledende kretser som en lovende plattform for å realisere slike gitter og danne et universelt portsett. Vanligvis må to sett med krav oppfylles for å skalere slike superledende gitter, inkludert en metode for å rute kontrollkabling til kretsen som lar alle qubits forbli adresserbare og målbare, samtidig som lav frekvens falske moduser fra å dukke opp i kretsen med økende dimensjoner. Skaleringsprosessen bør også forhindre dekoherenskanaler til qubits og være kompatibel med gatefideliteter utover terskelen for kvantefeilkorreksjonskoder. Fysikere hadde tidligere overvunnet ledningsgrenser for kantkoblede kretser via 3D-integrert kontrollkabling som en praktisk løsning. Alternativt kan kretser innesluttes i induktivt shuntede hulrom i to dimensjoner med en grensefrekvens til hulromsmoduser. Spring et al presenterte eksperimentelle resultater i forhold til sistnevnte konsept på en fire-qubit proof-of-principle-krets, der kretsarkitekturen inneholdt 3D-integrert ut-av-planet kontrollkabling, qubits og avlesningsresonatorer produsert på motsatte sider av et substrat. Teamet inkluderte også en viktig ny funksjon for kompatibilitet med transmon-koherenstider, over 100 µs, lav krysstale og enkelt-qubit-gatefeil.

Enhetsarkitektur og cross-talk karakterisering

Forskerne fikk bilder av hulromskabinettet og kretsen, der kabinettbasen opprettholdt en enkelt sentral “søyle” og et lokk som inneholdt en matchende sylindrisk fordypning fylt med en ball av indium. De arrangerte de fire koaksiale transmon-qubitene i et 2 x 2 gitter med 2 mm avstand og implementerte deretter en ut-av-planet ledningsdesign med induktiv shuntdesign, og et kretsoppsett, der hver resonator ble koaksialt justert med og kapasitivt koblet, til en qubit. Oppsettet tillot qubit-elektrodene å være “elektrisk flytende.” Teamet oppnådde de grunnleggende kretsparametrene og karakteriserte krysstale av enheten, der enheten var en prinsipp-demonstrasjon av kretsarkitekturen uten tilsiktede koblinger, bortsett fra mellom qubit-resonatorpar. Som et resultat identifiserte Spring et al alle andre koplinger som uønsket krysstale. Teamet definerte deretter vilkårene for krysstale og oppsummerte de eksperimentelle og simulerte parasittiske tverrkoblingene i enheten etterfulgt av eksperimentelle målinger av qubit kontrolllinje selektivitet og resonatorkontrolllinjeselektivitet. De målte også den parasittiske qubit-resonatorkoblingen for å forstå det parasittiske dispersive skiftet mellom qubit og resonator. Etterfulgt av single-qubit randomisert benchmarking utføres på alle fire qubits separat og samtidig. Teamet gjennomførte hvert av de 31 x 80 eksperimentene, 5000 ganger for å bygge statistikk og presenterte de resulterende feil-per-fysiske portene, og utførte også korrelert randomisert benchmarking basert på simultane eksperimentelle data. For båndstruktursimuleringer analyserte Spring et al høyfrekvent struktursimulator modell av en enhetscelle som inneholdt ideelle dimensjoner for den sentrale delen av enheten på 2 mm x 2 mm. De kartla deretter båndstrukturen under simuleringer mens de samlet inn detaljer om den analytiske cutoff-frekvensen, båndkurvaturen og plasmahud- og dybdeprediksjoner i oppsettet.

• 
• 

Outlook

På denne måten analyserte Peter A. Spring og medarbeidere gjennomsnittlige qubit-koherenstider og samtidige single-qubit gate-fidelities i en fire-qubit demonstrasjon av en 3D-superledende kretsarkitektur. Før inkludering av qubit-koblingskretser, undertrykte teamet sterkt gjenværende krysstale av oppsettet. Den forutsette optimaliserte enheten kan brukes til å studere korrelerte feil generert fra høyenergistråling i gitter av qubits med høy koherens og eksponentielt undertrykt krysstale. Den nåværende arkitekturen inneholdt et induktivt shuntet hulromskap som tett omgir kretsen, kombinert med 3D-integrert ut-av-planet kontrollkabling og resonatorer for avlesning på motsatt side. Resultatene fremhevet den lave krysstalen eksperimentell oppsett. Innkapslingen kan gjenbrukes ved å omforme indiumkulen i lokket; Imidlertid var kretsen ikke festet til kabinettet og kunne derfor ikke fjernes og monteres på nytt. Forskerne fremhevet flere mangler ved den presenterte enheten, inkludert de små og variable eksterne resonatornedbrytningshastighetene og dispersive skift som ikke var optimale for qubit avlesninger. Spring et al. kreditert den økte sammenhengen i oppsettet til fabrikasjonsprosessen, som var forskjellig fra tidligere implementeringer av arkitekturen.

---

---

© 2022 Science X Network