超伝導量子回路によって測定された柔軟なマイクロ波ストリップラインの熱平衡化

Основні поняття

柔軟なマイクロ波ストリップラインを使用して量子回路の入力ラインを室温から希釈冷凍機の冷却ステージに接続する際、20 mKの冷却ステージにおける読み出し共振器の残留光子数は3.5 × 10−3以下、柔軟なストリップラインの減衰器の熱平衡化時定数は0.28 msであり、量子ビットの有効温度は26.4 mKと冷却ステージの温度に近い値を示した。従来のコaxial ケーブルと比較しても、量子ビットのパフォーマンスに有意な違いは観察されなかった。

Анотація

本研究では、柔軟なマイクロ波ストリップラインを使用して量子回路の入力ラインを接続する際の熱平衡化特性を調べた。

まず、柔軟なストリップラインの中央部分をコパー製のクランプで固定し、クランプとストリップラインの間に熱接触層を設置することで、ストリップラインの熱平衡化を改善できることを示した。特に、低温(Td ≤ 50 mK)では、大きなクランプサイズと熱接触層の使用が有効であることが分かった。

次に、この知見を活かして、柔軟なストリップラインを実際の量子回路に組み込み、超伝導量子ビットを用いて評価を行った。その結果、20 mKの冷却ステージにおける読み出し共振器の残留光子数は3.5 × 10−3以下、ストリップラインの減衰器の熱平衡化時定数は0.28 msと、従来のコaxial ケーブルと同等以上の性能を示した。さらに、量子ビットの有効温度も26.4 mKと冷却ステージの温度に近い値を示し、量子ビットのパフォーマンスにも影響がないことが確認された。

これらの結果は、柔軟なマイクロ波ストリップラインを用いることで、従来のコaxial ケーブルと比べて少なくとも1桁高密度のマイクロ波入力回路を実現できる可能性を示唆している。今後の大規模な量子プロセッサやセンサアレイの開発に貢献できると期待される。

Статистика

読み出し共振器の残留光子数は3.5 × 10−3以下
柔軟なストリップラインの減衰器の熱平衡化時定数は0.28 ms
量子ビットの有効温度は26.4 mK

Цитати

なし

Ключові висновки, отримані з

Thermalization of a flexible microwave stripline measured by a superconducting qubit

by Patr... о arxiv.org 10-03-2024

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

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柔軟なマイクロ波ストリップラインの使用により、どのような量子デバイスの性能向上が期待できるか?

柔軟なマイクロ波ストリップラインの使用により、量子デバイスの性能向上が期待される主な理由は、ケーブル密度の大幅な増加と熱管理の改善です。具体的には、柔軟なストリップラインは、従来のコアキシャルケーブルに比べて、ケーブルの配置をより密にすることができ、これにより量子プロセッサや検出器アレイのスケーラビリティが向上します。さらに、柔軟なストリップラインは、統合された60 dBの減衰を持ち、異なる温度ステージでの熱平衡化が迅速に行われるため、量子ビットのデコヒーレンスを低減し、より高いコヒーレンス時間を実現します。実際の測定では、柔軟なストリップラインを使用した場合、量子ビットの効果的な温度が26.4 mKに達し、従来のコアキシャルケーブルと同等の性能を示しました。このように、柔軟なストリップラインは、量子デバイスの性能を向上させるための有望な選択肢となります。

従来のコaxial ケーブルと比べて、柔軟なストリップラインにはどのような長所と短所があるか?

柔軟なストリップラインと従来のコアキシャルケーブルの比較において、以下のような長所と短所があります。
長所:

ケーブル密度の向上: 柔軟なストリップラインは、従来のコアキシャルケーブルに比べて、より高いケーブル密度を実現できるため、限られたスペースでの配線が容易になります。
熱平衡化の改善: 測定結果によると、柔軟なストリップラインは、0.28 msという速い熱平衡化時間を持ち、量子ビットのデコヒーレンスを低減します。
軽量性と柔軟性: 柔軟なストリップラインは、軽量で柔軟性があるため、設置や取り扱いが容易です。

短所:

耐久性: 柔軟なストリップラインは、物理的な損傷に対して脆弱である可能性があり、特に取り扱いや設置時に注意が必要です。
コスト: 高度な製造技術が必要なため、柔軟なストリップラインは従来のコアキシャルケーブルよりも高価になることがあります。
信号損失: 柔軟なストリップラインは、設計や材料によっては、信号損失が大きくなる可能性があるため、性能に影響を与えることがあります。

柔軟なストリップラインの熱平衡化特性を更に向上させるためには、どのような技術的アプローチが考えられるか?

柔軟なストリップラインの熱平衡化特性を向上させるためには、以下のような技術的アプローチが考えられます。

改良された熱接触材料の使用: 熱伝導性の高い材料や、特別に設計された熱接触層を使用することで、ストリップラインと冷却基板との間の熱伝導を改善し、熱平衡化時間を短縮できます。
最適化されたクランプ設計: ストリップラインを固定するクランプの設計を最適化し、より均一な圧力をかけることで、熱接触を改善し、熱伝導を向上させることができます。
複数の温度ステージの導入: 異なる温度ステージを設けることで、ストリップラインの各部分が異なる温度で熱平衡化されるようにし、全体の熱管理を改善します。
ナノ材料の利用: ナノスケールの材料を使用することで、熱伝導率を向上させ、より効率的な熱管理を実現することができます。

これらのアプローチを組み合わせることで、柔軟なストリップラインの熱平衡化特性をさらに向上させ、量子デバイスの性能を最大限に引き出すことが可能になります。