超导Qubit表征是什么？

利用量子物理现象，量子计算应在传统计算中的数值处理能力中提前^[1,2]。实验工作当前正在开展在这一领域集中于提高，最终将在经典的处理器执行晶体管的功能的设备 - 量子位（量子位）。

目前研究的最有前途的竞争者之一是超导Qubits^[3，4]。由于它们是基于纯电控和微制造技术，因此超导Qubits提供了一个清晰的路线图，用于在单个处理器中大量集成数百Qubbits。

在过去几年中实现的相干时间的稳步提高激发了可信度，即设备可以设计成支持实用数值算法的质量。

增长复杂性

控制超导Qubbits需要具有精确同步的多个通道上的复杂脉冲微波信号。随着频道和贵族数量的增加，标准化，强集成和高度可靠的电子控制解决方案至关重要。

这种需求由苏黎世仪器Uhfli仪器解决，因为它结合了合成精确形状的脉冲信号的任意波形发生器（AWG），以及配备有数字转换器的600 MHz锁定放大器进行检测。

通过在一个设备中结合的产生和检测，设置复杂性和机架空间可以减少，同步可以被提高，并且先进的控制方法可以基于从检测前馈到代被启用，例如，序列分支。

本文讨论了uhfli仪器如何用于在其相干时间，qubit状态寿命和频率方面表征超导Qubits。调整用于生成量子计算序列的脉冲形状也由本文中提供的测量提供。

电路量子电动电动架构，^[5]可以扩展到多Qubit实验，用于执行本文讨论的实验。测量在瑞士埃特拉克·奥尔拉夫的Quantum设备实验室中进行了测量。

设置和样品

开发量子计算设备以实现Qubit的量子状态的控制和读数。量子状态通常是Qubit设备的两个物理配置的量子叠加，其编码在量子计算机中处理的数据。

图1（a）显示由蓝宝石芯片上的铌和铝基谐振电路组成的样品。实际量子位是由片上电容器（图像中的橙色）和小超导量子干涉装置（鱿鱼）形成的非线性谐振器。

利用鱿鱼设计，通过修改应用于设备的小磁场，可以通过4和7.5 GHz之间的频率范围进行调谐。

共面波导（绿色）直接引导外部信号到该量子位为它的控制。该量子位被加上一个共面线路型谐振子（蓝色）^[5]在4.78 GHz。片上滤波器将读出谐振器连接到一对同轴电缆，该电缆提供用于读出量子位的量子状态的接口。

图1（b）示出了测量设置的示意图，其中样品安装在稀释冰箱中，以提供良好的隔离低温环境，保护样品的量子特性。

图1。（a）表示的读出谐振器（蓝色）和量子位电容极板（橙色）样品的光学显微照片。该谐振器通过一个赛尔滤波器耦合到输入和输出线^[6]（青色）。插图示出的量子位和谐振器和赛尔过滤器之间的耦合器的放大视图。（b）中简化基于所述UHFLI仪器集成锁定放大器和AWG的实验装置的示意图。该超导量子位样品在稀释制冷机冷却。

用两个AWG通道执行微波信号的正交调制以产生控制脉冲。将其中一个AWG标记通道馈送到信号发生器的栅极输入有助于为Qubit读数产生脉冲。

在通过读出谐振器传输后，脉冲被放大，然后将读出信号下调到中频f_如果。然后使用UHFLI锁定放大器通道之一来测量脉冲。

测量

qubit光谱学

首先测量QUB比特和读出谐振器的线宽和频率的光谱测量。通过在样品处使用小线圈设定最佳磁场偏压，并且也可以使用光谱学确定。

为了测量读出谐振器，将连续的微波音施加到谐振器上，并且用锁定放大器测量下转换的发送信号的幅度。音调的频率V._res.扫过频率f_res.谐振器。图2（b）显示了一种这种测量。谐振器的传动线厚度是f_res.在更广泛的峰顶上，这是片上purcell滤波器的结果^[6]。

使用双音微波技术来测量Qubit过渡频率。第一种微波音在靠近谐振f的固定频率上施加_res.到读出谐振器。第二音调施加到量子位栅极线和它的频率ν_QB在衡量传输幅度的同时扫过宽范围。

由于读出谐振器与QUB比特之间的分散耦合，当ν时有变化_QB变谐振在f量子位过渡_QB^[5]。如（a）所示，这导致F处的特征_QB。

图2。该量子位的光谱（a）与该读出谐振器（b）中的。在（a）中的测量是通过测量以固定频率ν的发送得到的_RF.靠近空腔共鸣（b）和清扫量子位驱动频率ν_QB。（c）对磁通F的弧形依赖性对于这种类型的Qubit是特征。随着QUBBit频率通过（d）中的横轴交叉读出谐振器的频率，两个呈现避免的交叉。颜色尺度示出了放大后通过读出谐振器发送的信号的幅度。

在图2（c）和（d）中，可以将Qubit和谐振器光谱视为磁场的函数。量子位过渡频率对磁场表现出特征，弧形依赖性^[7]。如（d）中可以看出，读出谐振器和量子位展示了避免的交叉。谐振器和量子位之间的强耦合是该真空Rabi分裂的原因。

为了探测Qubit的动态特性，随后的测量是脉冲而不是连续的。由读出部分和控制部分组成的脉冲序列形成这些测量的基础。脉冲以靠近F的频率施加到Qubit栅极线_QB在控制部分期间。

这些共振脉冲导致Rabi振荡，在其地面和激发状态之间的Qubit的相干振荡。在控制部分之后，将脉冲施加到读出谐振器，频率接近f_res.并且在通过样本传输之后执行信号的触发测量。

为了实现这一目标，返回信号首先在模拟域中转换为f_如果= 28.125 MHz。然后通过锁定放大器在数字域中解调。使用数字锁定技术而不是直接转换为DC，测量免受放大器偏移电压漂移和1 / F噪声的影响^[8]。

为了提高信噪比和平均出量子波动，在整个循环被重复几千次。按照惯例，原始数据的平均向下转换之前完成。与之Uhfli数字解调器，可以在平均之前执行下转换。

该方法从实验中删除一个数据处理步骤，并且它消除了选择与重复率相比相称的中间频率的要求。在执行解调信号必须快速可用的前馈协议期间也是必要的。

拉比振荡

在量子位状态的不同变化，其可用于为单量子位操作栅极施加的控制脉冲的结果。这样的操作是必需的用于实现量子计算的算法，在该逻辑反转所需的经典算法计算类似的方式。可以使用拉比振荡测量来确定对于给定的栅极操作的脉冲参数。

为该测量产生具有平滑边缘（上升/下降时间3.9ns）和具有可变宽度的平坦平台的封套的控制脉冲。在该控制脉冲之后是读出脉冲，其是具有近似矩形包络的微波突发。

该量子位处于激发状态的概率如下正弦演进作为控制脉冲区，这也正比于它的半值宽度的函数。这种演变反映在过程中在图3中绘制的读出阶段测量的信号。

该曲线使得能够识别的下一个测量值的Qubit栅极脉冲的宽度：π-pulse宽度对应于第一季度，π/ 2脉冲宽度对应于第一季度。虽然P脉冲从地面带来QUBBit到激发状态，但π/ 2脉冲将Qubit带到地面和激发状态的相等相干叠加。对于此测量，所有控制脉冲以13 kHz的速率重复4000次。

图3。Rabi振荡测量。作为控制脉冲的宽度的函数，QUB对从地面状态的周期性地发展到激励状态和背部。这导致正弦读出信号幅度作为脉冲宽度（水平轴）的函数，如（a）中的颜色图所示。（b）在（a）中标记的脉冲宽度的两个值的时间相关读出信号。约1.2μs和5.8μs之间的时间对应于读出脉冲。（c）通过平均（a）中的数据并使结果进行规范以获得平均激发态群体而获得的Rabi振荡图。测量允许我们确定π-和π/ 2脉冲（红色标记）的参数。

量子位终身

由于从激励量子位状态到地状态的衰减，计算算法的持续时间受到限制。测量平均寿命T.₁因此是设备表征的重要部分。

测量t时₁，在序列的开头处施加π脉冲，然后存在等待变速T，并且最终测量Qubit状态。图4（a）显示了结果数据。寿命T.₁= 8.8微秒从拟合提取到的指数EXP（-t / T₁）。

图4。（a）qubit寿命t₁测量。Qubit在具有p脉冲的激发状态下初始化。然后测量随后的指数衰减以增加读出脉冲之前的延迟。（b）Ramsey边缘测量。随着两个P / 2脉冲之间的延迟变化，Qubit读出信号遵循反映相干逐渐丧失的衰减振荡演进。测量用于确定Qubit相干时间t₂*。这两种测定是在27 kHz的重复率平均为40000次。

波形和序列可以使用该波形和序列使用该波形和序列uhfli的控制软件labone^®。使用UHF-AWG使用测序器循环将读出脉冲延迟从0μs递增到26μs，具有动态等待时间和运行时序序列变量，使用UHF-AWG生成一系列200个模式。

这意味着两个通道的具有小于400个波形数据样本的单个π脉冲包络可用于生成所有量子位控制脉冲。这与传统方法不同，其中必须将所有脉冲延迟的模式上载到AWG采样样本，要求约200 x（26μs）x（2通道）x（1.8 gsa / s）= 18.7 msa的波形数据因此，波形转移时间更长。

qubit一致性时间

Ramsey边缘测量显示了Qubit的自由相干演化。通过不同的延迟时间分离有两个π/ 2脉冲，然后在Ramsey序列中进行Qubit读数。当没有变频时，两个π/ 2脉冲组合以形成完整的π脉冲，并且Qubit以激发状态最终结束。

松弛和成为不完善，这意味着在与延迟时间的激发态衰变是所述电位期间，在脉冲加入的延迟时间的结果退相。相对于F上的脉冲频率的轻微失谐_QB在Qubit阶段和控制脉冲载体的相位之间产生跳动效果。这导致读出信号中的振荡贡献。t的脱模时间₂* =1.2μs可以从图4（b）所示的测量中提取。

Duel-Channel AWG生成的脉冲具有112.5MHz的中频载波，使用在数字域中操作的UHF-AWG调制模式生成。然后使用模拟混频器将中频升高到量子位转换频率。使用幅度调制意味着可以在不重新编程AWG的情况下调整或扫描相位和载波频率。

结论

这些基本量子比特的测量证明的潜力苏黎世文书Uhfli锁定放大器和AWG在实验域中，需要定时精度，信号质量和高速。在其寿命，相干时间和工作频率方面，可以从测量获得Qubit仪器的深入表征。基于用于这些测量的基本脉冲，以直接的方式建立更复杂的实验序列，例如随机基准测试或旋转回波。

致谢

苏黎世文书要感谢Wallraff和他的团队专业分享实验结果，并致力于利用苏黎世仪器技术开发Qubit实验。特别感谢Go to Michele Coltodo进行测量，并为Uhfli集成到现有的实验室基础设施中提供了一个很好的框架。我们感谢Theodore Walter提供Qubit样品和Yves Salathe，Simone Gasparinetti以及Philipp Kurpiers，以支持测量和讨论。这项工作得到了瑞士联邦经济事务，教育和研究的支持，通过履行技术和创新（CTI）。

参考

^[1]R. P. Feynman。用电脑模拟物理学。int。J.Overor。物理。，21：467,1982。

^[2]T. D. Ladd，F.Jelezko，R.Laflamme，Y.Nakamura，C. Monroe和J.L. O'Brien。量子计算机。大自然，464：45,2010。

^[3]Y. Nakamura，Pashkin，Yu。A.和Tsai J.S。在一个Cooper对箱中的宏观量子状态的相干控制。大自然，398：786,1999。

^[4]John Clarke和Frank K. Wilhelm。超导量子位。大自然，453：1031,2008。

^[5]A. Wallraff，D. I.舒斯特，A.布莱，L. Frunzio，R.- S.黄，J. Majer，S.库马尔，S. M.格文，和R. J. Schoelkopf。单个光子的超导的强耦合使用电路量子电量子位。自然，431：1627，2004年。

^[6]M. D. Reed，L. Dicarlo，B. R. Johnson，L. Sun，D.I.Schuster，L. Frunzio和R. J. Schoelkopf。使用Jaynes-Cummings非线性电路量子电动动力学中的高保真读数。物理。Rev. Lett。，105：173601，2010年10月。

^[7]Jens Koch，Terri M. Yu，Jay Gambetta，A.A.Houck，D. I. Schuster，J. Majer，亚历山大Blais，M.H. Devoret，S. M.Girvin和R. J. Schoelkopf。源自Cooper对框的加压抑制Qubit设计。物理。Rev. A，76：042319，2007年10月。

^[8]David Schuster。电路量子电动动力学。博士文论文，耶鲁大学，2007年。

该信息已经被采购，审查和由苏黎世仪器提供的材料改编。欧洲杯足球竞彩

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