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(jìn)入郭國(guó)平教授的固態(tài)量子芯片研究室至今，一直在學(xué)習(xí)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(dǎo)量子芯片體系，而實(shí)驗(yàn)室的研究課題是半導(dǎo)體量子芯片，實(shí)驗(yàn)室在半導(dǎo)體量子計(jì)算方面積累了豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于超導(dǎo)體系，這些經(jīng)驗(yàn)無(wú)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(guò)五年的調(diào)研、學(xué)習(xí)、思考與實(shí)驗(yàn)，本人不僅搭建起一整套transmon qubit的加工平臺(tái)以及測(cè)控平臺(tái)，而且掌握了超導(dǎo)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(duì)于transmon qubit工作環(huán)境尤其是低溫環(huán)境部分的設(shè)計(jì)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(dǎo)電路的量子比特體系，對(duì)于工作環(huán)境的最基本要求就是溫度低于其超導(dǎo)臨界溫度(約1.18K)。我們使用了能夠達(dá)到10mK極低溫的稀釋制冷機(jī)來(lái)維持transmon的工作溫度，但這依然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠

3、的。在本人的學(xué)習(xí)研究中，發(fā)現(xiàn)了大量影響transmon相干時(shí)間的因素，這些噪聲來(lái)源于量子芯片工作環(huán)境以及測(cè)控方法。學(xué)習(xí)以及消除噪聲源是非常困難以及耗費(fèi)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(shí)間提高了將近10倍，并且加深了對(duì)qubit測(cè)控方法的理解。
　　本論文主要內(nèi)容包括:
　　1.簡(jiǎn)要介紹了量子計(jì)算的發(fā)展以及當(dāng)前主流的三種量子計(jì)算體系方案。特別地，我們意識(shí)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(guān)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(duì)于提高qubit的相干時(shí)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(shí)，circuit QED體系具有重要的量子信息處理應(yīng)用價(jià)值。我們?cè)敿?xì)分析了transmon qubit與CPW的相互作用，同時(shí)給出了影響transmon qubit相

5、干時(shí)間的主要噪聲來(lái)源以及我們的芯片設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)思路。
　　3.我們研究了transmon的具體測(cè)控方法，并計(jì)算了邏輯門操作的速度。我們得到單比特門典型時(shí)間25ns，兩比特門15ns。我的第一個(gè)工作是基于transmon對(duì)測(cè)控信號(hào)的需求，針對(duì)性地搭建了完整測(cè)控線路。并且初步獲得了具有0.6μs左右相干時(shí)間的qubit。
　　4.由于qubit相干時(shí)間與門操作時(shí)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(shí)間提

6、高到5μs以上，才有希望達(dá)到99％的保真度。我的第二個(gè)工作是對(duì)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(hào)，并且只攜帶與量子漲落相當(dāng)?shù)脑肼暋Ｎ业牡谌齻€(gè)工作是進(jìn)一步研究了J-Amp的設(shè)計(jì)與測(cè)控。針對(duì)J-IMPA式

7、放大器，我們給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案、測(cè)控方法，并研究了它在flux-pump工作模式下的表現(xiàn)。我們實(shí)現(xiàn)了平均低于400mK噪聲溫度，最大增益達(dá)到20dB的放大器性能。
　　6.進(jìn)一步地，我們考慮了量子芯片擴(kuò)展時(shí)芯片封裝帶來(lái)的影響。我們無(wú)法再使用wire-bonding技術(shù)引出信號(hào)，它會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的接觸阻抗突變以及信號(hào)串?dāng)_問(wèn)題，最終導(dǎo)致qubit相干時(shí)間的下降。我的第四個(gè)工作是設(shè)計(jì)了一種基于彈簧針的立體封裝方案，將所有的信號(hào)通過(guò)第三個(gè)維

8、度引出，解決了wire-bonding所帶來(lái)的后果，并同時(shí)還能優(yōu)化芯片表面的信號(hào)泄露，對(duì)于進(jìn)一步提高qubit的相干時(shí)間非常有價(jià)值。
　　7.量子芯片對(duì)于測(cè)控儀器的依賴性非常大。當(dāng)量子芯片擴(kuò)展后，信號(hào)線路急劇增加，而當(dāng)前商用儀器搭建的測(cè)控系統(tǒng)因難以擴(kuò)展，無(wú)法適用于以后的量子芯片測(cè)控。本人設(shè)計(jì)了一套量子芯片專用反饋測(cè)控系統(tǒng)，用于替代商用儀器搭建量子芯片的測(cè)控平臺(tái)。該套測(cè)控系統(tǒng)最基本的特征是可擴(kuò)展性;同時(shí)更重要的是它具有更高效的運(yùn)行效

9、率。我們使用FPGA構(gòu)建出硬件層控制核心，并且設(shè)計(jì)了一種能夠在200ns以內(nèi)完成硬件反饋功能的結(jié)構(gòu)方案，整體上解決了量子芯片測(cè)控信號(hào)實(shí)時(shí)生成與處理的技術(shù)性問(wèn)題，并在幫助我們接下來(lái)實(shí)現(xiàn)量子實(shí)時(shí)糾錯(cuò)實(shí)驗(yàn)上能夠提供不可替代的優(yōu)勢(shì)。
　　8.最后，本人介紹了一系列優(yōu)化量子芯片測(cè)控信號(hào)的細(xì)節(jié)方法。研究了相位噪聲對(duì)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(shí)本人總結(jié)了一套量子芯片測(cè)控流程，用于幫助更好地表征以及優(yōu)

10、化量子芯片的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。
　　本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有:
　　1.基于共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩種Purcell filter結(jié)構(gòu)，它們能在不影響qubit readout信號(hào)的前提下，對(duì)qubit頻段的噪聲額外提供至少超過(guò)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(shí)現(xiàn)了平均低于400mK噪聲溫度，最大增益達(dá)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(jìn)了立體封裝方案，利用彈簧針信號(hào)引出方式取代落后的wire-bonding技術(shù)，解決了接觸阻抗突變以及信號(hào)串?dāng)_問(wèn)題。
　　4.首次將量子芯片測(cè)控系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的課題開(kāi)展研究，設(shè)計(jì)了一套具有總共40通道并且能夠非級(jí)聯(lián)式擴(kuò)展的測(cè)控系統(tǒng)。此外，