靈活微波線路的熱化過程由超導量子位探測

核心概念

使用超導量子位電路量化了靈活微波線路的熱化時間和對光子噪聲去相干的貢獻。結果表明,靈活線路的熱化時間為0.28毫秒,幾乎是傳統同軸電纜中衰減器的兩倍快,並且測量到共振腔中殘餘光子數低於3.5 × 10−3。這些發現以及沒有觀察到對超導器件的任何有害影響,都推薦在未來的量子處理器設置和大型探測器陣列中使用靈活線路。

摘要

本文使用超導量子位電路測量了靈活微波線路的熱化過程和對光子噪聲去相干的貢獻。

首先,作者介紹了使用超導量子位電路讀出架構來測量微波線路熱化的動機和概念。超導量子位是未來大規模量子處理器的最有前景的候選之一,其相干時間已經超過幾百微秒。然而,量子位的相干性容易受到來自多種噪聲源的影響,其中一個重要的噪聲源是讀出共振腔中的光子噪聲。這些多餘的光子主要來自安裝在較高溫度階段的衰減器或濾波器,通過微波線路以黑體輻射的形式傳輸。

作者設計了兩種不同的微波輸入線路,一種是傳統的同軸電纜,另一種是靈活的微波線路。他們使用一個超導量子位電路來測量這兩種輸入線路的性能。通過測量量子位的能量弛豫率和相干率,作者估計了共振腔中的殘餘光子數,並測量了靈活線路衰減器的熱化時間。

實驗結果表明,使用靈活線路時,共振腔中的殘餘光子數低於3.5 × 10−3,熱化時間為0.28毫秒,幾乎是傳統同軸電纜中衰減器的兩倍快。此外,作者還確認了量子位達到了與稀釋冷卻器基底溫度接近的有效溫度26.4毫開,與使用傳統同軸電纜設置時沒有顯著差異。

這些結果表明,靈活線路可以在不降低超導器件性能的情況下,大大提高微波輸入電路的密度,為未來更複雜的量子設備和探測器陣列鋪平道路。

統計資料

共振腔中的殘餘光子數低於3.5 × 10−3
靈活線路衰減器的熱化時間為0.28毫秒
量子位達到了26.4毫開的有效溫度

引述

無

從以下內容提煉的關鍵洞見

Thermalization of a flexible microwave stripline measured by a superconducting qubit

by Patr... 於 arxiv.org 10-03-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.01053.pdf

深入探究

除了光子噪聲,還有哪些其他因素可能影響超導量子位的相干性,未來如何進一步提高相干時間?

超導量子位的相干性受到多種因素的影響，除了光子噪聲外，還包括低頻噪聲、熱噪聲、材料缺陷、以及環境的電磁干擾等。低頻噪聲通常來自於材料中的兩能級系統（TLS），這些系統會引起量子位頻率的隨機波動，進而影響相干性。熱噪聲則是由於量子位周圍的熱環境引起的，特別是在接近絕對零度的情況下，這種影響可能會更加明顯。
為了進一步提高超導量子位的相干時間，未來的研究可以集中在以下幾個方面：

材料改進：使用更高純度的超導材料，減少材料缺陷和雜質的影響。
設計優化：改進量子位的設計，降低對低頻噪聲的敏感性，例如通過改變量子位的幾何結構來減少TLS的影響。
環境隔離：加強量子位的環境隔離，使用屏蔽材料來減少外部電磁干擾。
冷卻技術：進一步降低系統的工作溫度，以減少熱噪聲的影響。

靈活線路在其他方面(如損耗、可靠性等)相比於傳統同軸電纜有何優劣?

靈活線路相較於傳統同軸電纜在損耗和可靠性方面具有一些顯著的優勢和劣勢。首先，靈活線路的設計使其能夠在狹小空間內進行更高密度的佈線，這對於大型量子處理器和探測器陣列的應用非常重要。此外，靈活線路通常具有較低的傳輸損耗，這是因為其內部結構可以減少信號的衰減。
然而，靈活線路也可能面臨一些挑戰，例如在長期使用過程中可能出現的機械疲勞和可靠性問題。由於靈活線路的材料特性，可能在多次彎曲或拉伸後導致性能下降。此外，靈活線路的製造工藝可能會影響其一致性和可靠性，特別是在高頻應用中。

如何將這種靈活線路技術應用於更大規模的量子處理器和探測器陣列,在實際部署中會遇到哪些挑戰?

將靈活線路技術應用於更大規模的量子處理器和探測器陣列，首先需要考慮其在高密度佈線中的優勢，這可以顯著提高系統的可擴展性和集成度。然而，在實際部署中，可能會遇到以下挑戰：

熱管理：靈活線路的熱性能需要仔細設計，以確保在高功率操作下不會過熱，影響量子位的性能。
機械穩定性：在大規模系統中，靈活線路的機械穩定性至關重要，必須確保其在長期運行中不會因為環境變化而導致性能下降。
信號完整性：隨著佈線密度的增加，信號的完整性可能會受到影響，必須設計合適的屏蔽和接地方案來減少干擾。
製造一致性：靈活線路的製造過程需要確保一致性，以避免在不同單元之間出現性能差異，這對於量子計算的可靠性至關重要。

總之，靈活線路技術在量子處理器和探測器陣列的應用中具有潛力，但需要克服上述挑戰以實現其優勢。