Avances en conectores cuánticos de microondas
La investigación mejora las conexiones para procesadores cuánticos superconductores usando técnicas de baja pérdida.
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Tabla de contenidos
- La Importancia de los Cables Coaxiales Superconductores
- Interconectores Cuánticos de Baja Pérdida
- Midiendo Factores de Calidad
- Tipos de Acopladores
- Desafíos en las Conexiones de Cables
- Conexiones de Wirebond
- Métodos de Unión de Indio
- Pruebas de Resonadores de Cable
- Dependencia de Potencia de los Factores de Calidad Internos
- Conclusión y Direcciones Futuras
- Fuente original
- Enlaces de referencia
Los interconectores cuánticos de microondas son vitales para conectar procesadores cuánticos superconductores. A medida que la computación cuántica avanza, los científicos necesitan crear conexiones de alta calidad para manejar grandes cantidades de qubits de manera eficiente. Esto requiere nuevas tecnologías que puedan reducir la pérdida durante la transmisión de información entre estos procesadores.
La Importancia de los Cables Coaxiales Superconductores
Los cables coaxiales superconductores juegan un papel crucial en estos interconectores cuánticos. Sirven como canales de comunicación que conectan diferentes procesadores cuánticos. Los investigadores han estado trabajando en mejorar el rendimiento de estos cables para asegurarse de que puedan manejar las demandas de la computación cuántica.
Interconectores Cuánticos de Baja Pérdida
Una área importante de investigación es el desarrollo de interconectores cuánticos de baja pérdida. Los científicos han informado sobre el uso de uniones de indio mezclado mecánicamente con cables coaxiales de aluminio. Este método ayuda a reducir la pérdida de información a medida que viaja a través del cable. Al disminuir la pérdida, el sistema puede operar de manera más eficiente y precisa.
Midiendo Factores de Calidad
Para entender qué tan bien funcionan estos interconectores, los científicos miden sus factores de calidad. El Factor de Calidad es una medida de cuán efectivamente un resonador puede almacenar energía. Un alto factor de calidad interno significa que se pierde menos energía durante la transmisión, lo cual es esencial para las operaciones cuánticas.
Los investigadores han desarrollado una forma de caracterizar estos cables usando un modelo de matriz ABCD. Este modelo ayuda a determinar el factor de calidad total al analizar diferentes resistencias involucradas en las conexiones de los cables. Al usar este modelo, los científicos pueden obtener información sobre cómo mejorar el rendimiento de estos cables.
Tipos de Acopladores
Los interconectores cuánticos se pueden dividir en tres tipos, cada uno con un propósito diferente.
- Acopladores M: conectan chips cercanos dentro de un solo paquete de procesador.
- Acopladores L: unen procesadores cuánticos empaquetados por separado en el mismo ambiente criogénico.
- Acopladores T: conectan procesadores cuánticos a través de diferentes ambientes criogénicos.
Entre estos, los acopladores L son especialmente importantes para la tecnología actual, ya que pueden expandir las capacidades de los sistemas cuánticos sin introducir nuevos desafíos significativos.
Desafíos en las Conexiones de Cables
Uno de los problemas principales que enfrentan los investigadores al construir acopladores L efectivos es crear canales de microondas de baja pérdida. Esto implica conectar líneas de transmisión de circuitos superconductores usando cables coaxiales. El objetivo es lograr baja pérdida no solo en los cables, sino también en los puntos donde se conectan a los qubits.
Estudios iniciales han mostrado que ciertos tipos de cables, como los que están hechos de NbTi con un dieléctrico de LD-PTFE, ofrecen buenos factores de calidad. Estos factores de calidad son esenciales para asegurarse de que la transferencia de información se mantenga precisa y eficiente.
Conexiones de Wirebond
Tradicionalmente, conectar chips a cables ha dependido de conexiones de wirebond. Este método implica unir cables del chip a los conductores internos y externos de los cables coaxiales. Aunque esta técnica se ha usado durante un tiempo, impone limitaciones en la eficiencia y calidad.
Avances recientes han mostrado la necesidad de métodos de conexión más robustos y escalables. Los investigadores han demostrado la efectividad de usar indio mezclado mecánicamente para conexiones de cables. Esta técnica ofrece un enlace más fuerte con menor pérdida de energía, permitiendo un mejor rendimiento en sistemas cuánticos.
Métodos de Unión de Indio
El uso de indio como material de unión ha abierto nuevas oportunidades para construir interconectores cuánticos. Al crear uniones de indio de presión, los investigadores pueden lograr conexiones fuertes y confiables. Este método implica preparar las superficies de los cables con indio puro, el cual luego se ajusta a presión. El resultado es una conexión sólida que minimiza la pérdida de energía.
Además, los investigadores han explorado diferentes métodos de unir cables a chips. Estos métodos incluyen el uso de longitudes específicas de guías de onda en chip para crear conexiones óptimas, lo que puede influir en la calidad general del interconector cuántico.
Pruebas de Resonadores de Cable
Para probar la efectividad de estas nuevas técnicas, los científicos han desarrollado configuraciones que les permiten medir los factores de calidad internos de varios resonadores de cable. Al usar diferentes configuraciones y métodos de medición, pueden recopilar datos sobre cómo estos cables funcionan a diferentes frecuencias.
Durante estas pruebas, los investigadores han observado que los factores de calidad pueden variar, dependiendo de dónde se realicen las conexiones. Al posicionar las uniones en puntos específicos, como nodos de corriente o nodos de voltaje, pueden mejorar el rendimiento de los interconectores y reducir aún más las pérdidas.
Dependencia de Potencia de los Factores de Calidad Internos
Otro aspecto de estudiar estos interconectores implica entender cómo responden sus factores de calidad internos a diferentes niveles de potencia de microondas. Para muchas aplicaciones en computación cuántica, es importante controlar cómo se comporta el sistema cuando se somete a diferentes niveles de potencia.
En investigaciones recientes, los científicos encontraron que los factores de calidad internos mostraron solo una débil dependencia de la potencia. Esto sugiere que la calidad de las conexiones se mantiene estable incluso cuando los niveles de potencia cambian, lo cual es una característica positiva para cualquier interconector cuántico.
Conclusión y Direcciones Futuras
La investigación en curso sobre el uso de indio mezclado mecánicamente para interconectores cuánticos promete avances significativos en el campo de la computación cuántica. Al centrarse en crear conexiones de baja pérdida, los investigadores están allanando el camino para procesadores cuánticos más eficientes que puedan manejar un mayor número de qubits.
A medida que las unidades de procesamiento cuántico superconductoras continúan expandiéndose, serán esenciales más mejoras en la tecnología de interconexión. Al refinar estas técnicas y explorar nuevos materiales, los científicos esperan mejorar el rendimiento de los sistemas cuánticos, haciéndolos más prácticos para aplicaciones del mundo real.
La exploración de conectores en chip también es emocionante, ya que sugiere un futuro donde montar sistemas cuánticos complejos podría lograrse con mayor facilidad. Con cada avance, el objetivo de construir redes cuánticas robustas y escalables se vuelve más alcanzable, acercándonos a realizar el pleno potencial de la computación cuántica.
Título: Mechanically-intermixed indium superconducting connections for microwave quantum interconnects
Resumen: Superconducting coaxial cables represent critical communication channels for interconnecting superconducting quantum processors. Here, we report mechanically-intermixed indium joins to aluminum coaxial cables for low loss quantum interconnects. We describe an ABCD matrix formalism to characterize the total resonator internal quality factor ($Q_i$) and any contact ($R_{cont}$) or shunt resistance ($R_{shunt}$) associated with the mechanically-intermixed indium joins. We present four resonator test systems incorporating three indium join methods over the typical frequency range of interest (3-5.5GHz) at temperatures below $20mK$. We measure high internal quality factor aluminum cables ($Q_i = 1.55 \pm 0.37 x 10^6$) through a push-to-connect indium join of the outer conductor that capacitively couples the inner conductor for reflection measurements. We then characterize the total internal quality factors of modes of a cable resonator with a push-to-connect superconducting cable-splice at the midpoint to find mean $Q_i = 1.40 x 10^6$ and $Q_i = 9.39 x 10^5$ for even and odd-modes respectively and use an ABCD matrix model of the system to extract $R_{cont} = 6x10^{-4} \Omega$ for the indium join of the inner conductor. Finally, we demonstrate indium press-mold cable-to-chip connections where the cable-to-chip join is placed at a current node and voltage node through varying on-chip waveguide lengths with mean $Q_i = 1.24 x 10^6$ and $Q_i = 1.07 x 10^6$ respectively to extract $R_{cont} = 8.5x10^{-4} \Omega$ and $R_{shunt} = 1.3x10^7 \Omega$ for the interface. With these techniques, we demonstrate a set of low-loss methods to join superconducting cables for future quantum
Autores: Yves Martin, Neereja Sundaresan, Jae-woong Nah, Rachel Steiner, Marco Turchetti, Kevin Stawiasz, Chi Xiong, Jason S. Orcutt
Última actualización: 2024-09-06 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2409.04634
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2409.04634
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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