Microwave Technology for Quantum Processors

Abstract

La tecnologia de microones és un aspecte essencial en la construcció i operació dels ordinadors quàntics. Els ordinadors quàntics tenen el potencial de revolucionar molts camps proporcionant millores exponencials en la potència i eficiència computacional. En aquesta tesi doctoral, l'autor discuteix el desenvolupament i validació d'interfícies criogèniques de microones, com ara cables coaxials superconductors i encapsulats compatibles a freqüències de microones, així com el disseny de xips d'unitat de processador quàntic (QPU), incloent prototips d'un sol qubit i múltiples qubits. A més, la tesi cobreix el disseny del sistema d'ordinadors quàntics i interconnexions, i el desenvolupament d'electrònica, mecànica i solucions de programari per a la lectura d'alta freqüència del processador quàntic. L'autor també presenta un estudi de cas sobre la integració d'aquests xips QPU en un prototip d'ordinador quàntic funcional i discuteix els resultats de les proves realitzades en aquest prototip. El prototip va poder demostrar amb èxit un temps de decaïment i fidelitat de lectura acceptables, un requisit crític per a l'operació d'un ordinador quàntic escalable. L'autor també discuteix les possibles aplicacions futures dels ordinadors quàntics i els desafiaments que s'han de superar per a la seva adopció generalitzada.

La tecnología de microondas es un aspecto esencial en la construcción y operación de las computadoras cuánticas. Las computadoras cuánticas tienen el potencial de revolucionar muchos campos al proporcionar mejoras exponenciales en la potencia y eficiencia computacional. En esta tesis doctoral, el autor discute el desarrollo y validación de interfaces criogénicas de microondas, como cables coaxiales superconductores y encapsulados compatibles a frecuencias de microondas, así como el diseño de chips de procesador cuántico (QPU), incluyendo prototipos de un solo qubit y múltiples qubits. Además, la tesis cubre el diseño del sistema de computadora cuántica e interconexiones, y el desarrollo de soluciones electrónicas, mecánicas y de software para la lectura de alta frecuencia del procesador cuántico. El autor también presenta un estudio de caso sobre la integración de estos chips QPU en un prototipo de ordenador cuántico funcional y discute los resultados de las pruebas realizadas en este prototipo. El prototipo pudo demostrar con éxito un tiempo de decaimiento y fidelidad de lectura aceptables, un requisito crítico para la operación de una computadora cuántica escalable. El autor también discute las posibles aplicaciones futuras de las computadoras cuánticas y los desafíos que deben superarse para su adopción generalizada.

Microwave technology is an essential aspect of the construction and operation of quantum computers. Quantum computers have the potential to revolutionize many fields by providing exponential improvements in computational power and efficiency. In this doctoral thesis, the author discusses the development and validation of microwave cryogenic interfaces, such as superconducting coaxial cables and microwave packaging, as well as the design of the quantum processor unit (QPU) chips, including single qubit and multi-qubit prototypes. Additionally, the thesis covers the system design of the quantum computer systems and interconnects, and the development of electronics, mechanical, and software solutions for high frequency readout of the QPU. The author also presents a case study on the integration of these QPU chips into a functional quantum computer prototype and discusses the results of tests performed on this prototype. The prototype was able to successfully demonstrate acceptable decay time and readout fidelity, a critical requirement for the operation of a scalable quantum computer. The author also discusses the future potential applications of quantum computers and the challenges that must be overcome for their widespread adoption.