Benchmarking degli LNA HEMT in InP basato sui qubit: fedeltà di lettura e consumo di potenza

Abstract degli autori

La lettura single-shot ad alta fedeltà dei qubit superconduttori è essenziale per la computazione quantistica tollerante ai guasti. In assenza di un amplificatore al limite quantistico, come un amplificatore parametrico Josephson, l’amplificatore criogenico a basso rumore a transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT LNA), nello stadio a 4 K, è la principale sorgente di rumore nella catena di lettura. Gli HEMT LNA sono tradizionalmente caratterizzati mediante misure del fattore Y della temperatura di rumore $T_N$, indipendentemente dalla misurazione quantistica a cui sono destinati. Qui presentiamo un metodo di benchmarking con il qubit nel circuito. Il metodo utilizza l’istogramma IQ bidimensionale della lettura single-shot come parametro diretto di merito. Lo applichiamo a tre HEMT LNA criogenici InP all’avanguardia, con un contenuto di indio nel canale rispettivamente del 53\%, del 60\% e del 70\%, insieme a un amplificatore commerciale di riferimento. Nelle misure del fattore Y, i dispositivi al 60\% e al 70\% presentano valori simili di $T_N$, entrambi inferiori a quello del dispositivo al 53\%. Il dispositivo al 70\% ha il guadagno più elevato, ma il SNR di lettura dei qubit e la fedeltà di assegnazione $\mathcal{F}_a$ raggiungono invece il massimo al 60\%. Con questo metodo, tracciamo $\mathcal{F}_a$ in funzione del consumo di potenza in corrente continua dell’HEMT LNA per ciascun dispositivo. $\mathcal{F}_a$ non si limita a saturarsi all’aumentare della potenza. Per diversi dispositivi diminuisce quando la potenza supera un valore dipendente dal dispositivo, ben al di sotto dei punti di funzionamento tipici. Per il dispositivo al 60\%, che presenta la $\mathcal{F}_a$ complessiva più elevata, serve circa 1~mW per mantenere $\mathcal{F}_a > 85\%$. Su tutti e quattro i dispositivi, si raggiunge $\mathcal{F}_a > 80\%$ con appena circa 0,3~mW, all’incirca un ordine di grandezza al di sotto dei punti di funzionamento tipici. Questi risultati definiscono una metodologia di benchmarking riferita al qubit e forniscono indicazioni pratiche per la scelta e la polarizzazione degli amplificatori nei sistemi di lettura multi-qubit soggetti a vincoli di potenza.