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量子物理

arXiv:2508.05339v1 (quant-ph)
[提交于 2025年8月7日 ]

标题: 基于材料的可扩展高效量子架构中transmon量子比特的优化

标题: Material-Driven Optimization of Transmon Qubits for Scalable and Efficient Quantum Architectures

Authors:Jonnalagadda Gayatri, S.Saravana Veni
摘要: 在创建实用量子计算机的过程中,设计可扩展且高效的超导量子位是最关键的步骤之一。 退相干时间、单个量子位之间的连接以及环境噪声的减少是这些量子位成功的关键因素。 由于它们可以通过光刻工艺制造,并且对电荷噪声不那么敏感,超导量子位,尤其是基于Transmon架构的量子位,已成为可扩展平台的主要候选者。 在本工作中,我们使用设计迭代、材料分析和模拟的组合来解决超导量子位优化挑战。 我们使用Qiskit Metal为4个量子位和8个量子位创建了基于Transmon的布局,并对每个量子位进行了单独分析。 我们研究了非谐性并提取了本征频率,在多个设计过程中计算了参与比,并利用Ansys HFSS识别了前五个能量本征态。 然后我们在COMSOL Multiphysics中创建了一个单个量子位设计的二维横截面,以评估不同材料对性能的影响。 这使我们能够分配各种超导材料和基板,并研究它们对能量损耗和电磁特性的影响。 量子位的退相干性和整体设备质量受到所选材料的显著影响。 这种基于材料的仿真与电路设计的综合框架为创建可靠的超导量子位系统提供了一种可行的方法,并支持持续尝试创建可扩展、容错的量子计算。
摘要: One of the most crucial steps in creating practical quantum computers is designing scalable and efficient superconducting qubits. Coherence times, connections between individual qubits, and reduction of environmental noise are critical factors in the success of these qubits. Because they can be lithographically fabricated and are less sensitive to charge noise, superconducting qubits, especially those based on the Transmon architecture, have emerged as top contenders for scalable platforms. In this work, we use a combination of design iteration, material analysis, and simulation to tackle the superconducting qubit optimization challenge. We created transmon-based layouts for 4 qubits and 8 qubits using Qiskit Metal and conducted an individual analysis for each qubit. We investigated anharmonicity and extracted eigenfrequencies, computing participation ratios across several design passes, and identifying the top five energy eigenstates using Ansys HFSS. We then created a 2D cross section of a single qubit design in COMSOL Multiphysics to evaluate how different materials affect performance. This enables us to assign various superconducting materials and substrates and investigate their effects on energy loss and electromagnetic properties. Qubit coherence and overall device quality are significantly influenced by the materials chosen. This integrated framework of material based simulation and circuit design offers a workable way to create reliable superconducting qubit systems and supports continued attempts to create scalable, fault-tolerant quantum computing.
主题: 量子物理 (quant-ph) ; 光学 (physics.optics)
引用方式: arXiv:2508.05339 [quant-ph]
  (或者 arXiv:2508.05339v1 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.05339
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Saravana Veni S [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 8 月 7 日 12:41:04 UTC (616 KB)
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