基于transmon qubit的量子芯片工作環(huán)境的研究與優(yōu)化.pdf

1、本人從進入郭國平教授的固態(tài)量子芯片研究室至今，一直在學習與研究量子芯片工作環(huán)境的優(yōu)化方法。本人接觸的是基于transmon qubit的超導量子芯片體系，而實驗室的研究課題是半導體量子芯片，實驗室在半導體量子計算方面積累了豐富的實驗經(jīng)驗，對于超導體系，這些經(jīng)驗無疑提供了巨大的幫助，但也面臨全新的挑戰(zhàn)與嘗試。經(jīng)過五年的調(diào)研、學習、思考與實驗，本人不僅搭建起一整套transmon qubit的加工平臺以及測控平臺，而且掌握了超導量子芯片的調(diào)

2、控表征方法，并且將絕大多數(shù)精力放在對于transmon qubit工作環(huán)境尤其是低溫環(huán)境部分的設計與優(yōu)化中，成功將transmon qubit的平均T1從0.6μs左右提高至5μs，并且還在持續(xù)優(yōu)化中。
　　Transmon qubit是基于鋁制超導電路的量子比特體系，對于工作環(huán)境的最基本要求就是溫度低于其超導臨界溫度(約1.18K)。我們使用了能夠達到10mK極低溫的稀釋制冷機來維持transmon的工作溫度，但這依然是遠遠不夠

3、的。在本人的學習研究中，發(fā)現(xiàn)了大量影響transmon相干時間的因素，這些噪聲來源于量子芯片工作環(huán)境以及測控方法。學習以及消除噪聲源是非常困難以及耗費精力的工作，但完成這些工作的意義重大:我們得以將transmon qubit的相干時間提高了將近10倍，并且加深了對qubit測控方法的理解。
　　本論文主要內(nèi)容包括:
　　1.簡要介紹了量子計算的發(fā)展以及當前主流的三種量子計算體系方案。特別地，我們意識到，量子芯片的性能除了與

4、芯片體系以及加工質(zhì)量有關之外，還受到外界環(huán)境的影響與限制。因此，優(yōu)化量子芯片工作環(huán)境對于提高qubit的相干時間具有非常大的效果。
　　2.我們介紹了cavity QED體系以及circuit QED體系，滿足dispersive-strong coupling條件時，circuit QED體系具有重要的量子信息處理應用價值。我們詳細分析了transmon qubit與CPW的相互作用，同時給出了影響transmon qubit相

5、干時間的主要噪聲來源以及我們的芯片設計方案和設計思路。
　　3.我們研究了transmon的具體測控方法，并計算了邏輯門操作的速度。我們得到單比特門典型時間25ns，兩比特門15ns。我的第一個工作是基于transmon對測控信號的需求，針對性地搭建了完整測控線路。并且初步獲得了具有0.6μs左右相干時間的qubit。
　　4.由于qubit相干時間與門操作時間的比值決定了操作保真度的上限，我們必須至少將qubit相干時間提

6、高到5μs以上，才有希望達到99％的保真度。我的第二個工作是對transmon低溫工作環(huán)境的徹底改造優(yōu)化。我們引入了多重屏蔽措施，包括磁屏蔽以及紅外輻射屏蔽;除此之外，我們引入了兩種重要的量子功能芯片——Purcell filter以及J-Amp，并成功將qubit平均T1提高至5μs。
　　5.J-Amp能夠有效放大單光子信號，并且只攜帶與量子漲落相當?shù)脑肼?。我的第三個工作是進一步研究了J-Amp的設計與測控。針對J-IMPA式

7、放大器，我們給出了詳細的設計方案、測控方法，并研究了它在flux-pump工作模式下的表現(xiàn)。我們實現(xiàn)了平均低于400mK噪聲溫度，最大增益達到20dB的放大器性能。
　　6.進一步地，我們考慮了量子芯片擴展時芯片封裝帶來的影響。我們無法再使用wire-bonding技術引出信號，它會帶來嚴重的接觸阻抗突變以及信號串擾問題，最終導致qubit相干時間的下降。我的第四個工作是設計了一種基于彈簧針的立體封裝方案，將所有的信號通過第三個維

8、度引出，解決了wire-bonding所帶來的后果，并同時還能優(yōu)化芯片表面的信號泄露，對于進一步提高qubit的相干時間非常有價值。
　　7.量子芯片對于測控儀器的依賴性非常大。當量子芯片擴展后，信號線路急劇增加，而當前商用儀器搭建的測控系統(tǒng)因難以擴展，無法適用于以后的量子芯片測控。本人設計了一套量子芯片專用反饋測控系統(tǒng)，用于替代商用儀器搭建量子芯片的測控平臺。該套測控系統(tǒng)最基本的特征是可擴展性;同時更重要的是它具有更高效的運行效

9、率。我們使用FPGA構建出硬件層控制核心，并且設計了一種能夠在200ns以內(nèi)完成硬件反饋功能的結構方案，整體上解決了量子芯片測控信號實時生成與處理的技術性問題，并在幫助我們接下來實現(xiàn)量子實時糾錯實驗上能夠提供不可替代的優(yōu)勢。
　　8.最后，本人介紹了一系列優(yōu)化量子芯片測控信號的細節(jié)方法。研究了相位噪聲對qubit退相干的影響，并給出了能夠?qū)⒂绊懡档偷娇珊雎猿潭鹊南嘣敕桨?。同時本人總結了一套量子芯片測控流程，用于幫助更好地表征以及優(yōu)

10、化量子芯片的實驗參數(shù)。
　　本論文的主要創(chuàng)新點有:
　　1.基于共面波導結構設計了兩種Purcell filter結構，它們能在不影響qubit readout信號的前提下，對qubit頻段的噪聲額外提供至少超過20dB的抑制度。
　　2.首次使用flux-pump工作模式研究了J-IMPA的性能，發(fā)現(xiàn)在該模式下阻抗變換線依然能工作，并且不影響J-Amp的原本工作模式。我們實現(xiàn)了平均低于400mK噪聲溫度，最大增益達到

11、20dB的放大器性能，特別是在極端工作參數(shù)下，我們能夠獲得最高29dB的增益與1.2GHz的增益帶寬。該放大器能夠?qū)崿F(xiàn)至少87％的single shot readout保真度。
　　3.改進了立體封裝方案，利用彈簧針信號引出方式取代落后的wire-bonding技術，解決了接觸阻抗突變以及信號串擾問題。
　　4.首次將量子芯片測控系統(tǒng)作為一個獨立的課題開展研究，設計了一套具有總共40通道并且能夠非級聯(lián)式擴展的測控系統(tǒng)。此外，