Low-crosstalk modular flip-chip architecture with superconducting kinetic-inductively coupled flux-qubit-resonator circuits

In dieser Arbeit entwickeln wir modulare und erweiterbare Hardware für supraleitende Quantenprozessoren. Im ersten Teil stellen wir ein Qubit-Auslesesystem vor, bei dem die dispersive Wechselwirkung durch eine kinetische Induktivität erzeugt wird. Dieser Ansatz ermöglicht eine unabhängige Gestaltung der dispersiven Verschiebung, ohne auf große Kapazitäten angewiesen zu sein. Wir weisen das Konzept der kinetisch-induktiven Kopplung experimentell nach und realisieren Fluß-Qubits im Plasmon- und Fluxon-Regime. Am optimalen Arbeitspunkt des halben Fluxquants messen wir dispersive Verschiebungen zwischen 60 kHz und 2 MHz. ... mehrDie Ausleseleistung ist mit herkömmlichen Architekturen vergleichbar, mit einer Wiedergabetreue von 99,7 % (Grundzustand) und 92,7 % (angeregter Zustand) und einer unter 0,1 % unterdrückten Leckage. Im zweiten Teil stellen wir eine Flip-Chip-Architektur vor, die für Arrays gekoppelter supraleitender Qubits entwickelt wurde, wobei die Qubit- und Kopplerchips jeweils in individuellen Mikro-Wellengehäusen untergebracht sind. Die Qubit-Chips sind elektrisch schwebend, was eine einfache, vollständig modulare Montage und eine deutlich reduzierte Mikrowellenübersprechung zur Folge hat. Wir validieren die Architektur anhand einer Kette aus drei Qubits, in der das mittlere Qubit als flussabhängiger Koppler agiert. Wir demonstrieren ein transversales Kopplungs-Ein-/Aus-Verhältnis von etwa 70, ein $zz$-Übersprechen unter 1 kHz zwischen resonanten Qubits und eine Isolation von über 60 dB zwischen den äußeren Qubit-Gehäusen. Zusammen ergibt sich eine modulare Flip-Chip-Plattform, die kinetisch-induktives dispersives Auslesen mit starker Isolation und einstellbarer Kopplung kombiniert und einen Weg zu supraleitenden Multi-Qubit-Prozessoren ermöglicht.

In this thesis, we develop modular and extendable hardware for superconducting quantum processors. In the first part, we introduce a qubit-readout system in which the dispersive interaction is mediated by a kinetic inductance. This approach enables independent engineering of the dispersive shift without relying on large capacitances. We experimentally confirm the concept of kinetic-inductive coupling and realize generalized flux qubits in the plasmon and fluxon regimes. At the half-flux-quantum sweet spot, we measure dispersive shifts between 60 kHz and 2 MHz. The readout performance is comparable to conventional architectures, with preparation fidelities of 99.7 % (ground state) and 92.7 % (excited state), and leakage suppressed below 0.1 %. ... mehrIn the second part, we present a flip-chip architecture designed for arrays of coupled superconducting qubits, with the qubit and coupling chips each placed inside individual microwave enclosures. The qubit chips are electrically floating, allowing for a simple, fully modular assembly and significantly reduced microwave crosstalk. We validate the architecture using a chain of three qubits, in which the central qubit acts as a tunable coupler. We demonstrate a transverse coupling on/off ratio of approximately 70, $zz$-crosstalk below 1 kHz between resonant qubits, and isolation exceeding 60 dB between the outer qubit enclosures. Together, these results establish a modular flip-chip platform that combines kinetic-inductive dispersive readout with strong isolation and tunable coupling, outlining a route towards multi-qubit superconducting processors.