用于快速门色散电荷读出与相干自旋-光子耦合的混合量子点 circuit-QED 器件三维集成

混合电路量子电动力学 (cQED) 旨在将各种量子自由度——包括门定义量子点中的自旋和电荷自由度、声子或磁子等——与超导微波腔中的量子化电磁场相耦合，以研究基础物理问题或用于量子计算与模拟。然而，许多混合 cQED 实验关键的微波低损耗难以实现，因为承载各种量子自由度所需的材料叠层通常具有特殊性和/或复杂性（例如半导体材料、铁磁体或压电材料）。在本工作中，我们提出了一种三维集成工艺，以克服半工业级硅 MOS 自旋量子比特面临的这一挑战。该工艺基于 10 {\mu}m 间距的密集铟凸点互连和氮化铌 超导薄膜。首先，我们报告了直流和射频互连特性，证明了高电学互连良率，并且在单光子区中，被单个铟凸点互连打断的 NbN 谐振器的内部品质因子超过 105。最终，我们基于半工业级 MOS 空穴双量子点和高阻抗 NbN 谐振器，制备了一个三维集成的混合电路量子电动力学 器件。对于该器件，我们报告了超过 10000 的腔内部品质因子，并展示了电荷自由度的门色散读出的创纪录灵敏度，在 300 ns 内信噪比达到 100。最后，我们证明了 gs/{2\pi} = 75 MHz 的强自旋-光子耦合，突显了三维集成在量子点混合自旋电路量子电动力学中的可行性，并为高保真度自旋读出和基于微波光子的远程自旋量子比特纠缠开辟了道路。