⚛️ quantum physics

3D Integrated Embedded Filters for Superconducting Quantum Circuits

Dit artikel presenteert een nieuw ontwerp voor in een multilayer-printplaat geïntegreerde 3D-microgolf-Purcell-filters voor supergeleidende qubits, die de complexiteit verminderen, de schaalbaarheid vergroten en experimenteel zijn geverifieerd met een 35-qubit-systeem dat een mediane T1 van 84 μs bereikte.

Oorspronkelijke auteurs: Waqas Ahmad, Gioele Consani, Mohammad Tasnimul Haque, Jacob Dunstan, Brian Vlastakis

Gepubliceerd 2026-03-02

📖 4 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Waqas Ahmad, Gioele Consani, Mohammad Tasnimul Haque, Jacob Dunstan, Brian Vlastakis

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Stel je voor dat je een heel groot, supergevoelig orkest hebt. In dit orkest spelen de muzikanten de kwantum-bitjes (qubits). Deze muzikanten zijn zo gevoelig dat ze zelfs op de kleinste geluiden van buitenaf reageren. Als ze een verkeerde noot horen, raken ze in paniek en stoppen ze met spelen. Dit noemen we in de wetenschap "decoherentie" of het verliezen van hun toestand.

Om dit orkest te laten spelen, moeten we ze echter wel kunnen horen en aansturen. We hebben een leesapparaat nodig. Maar hier zit het probleem: als we het leesapparaat te dicht bij de muzikanten zetten om ze snel te kunnen horen, maken we juist veel lawaai. De muzikanten horen het dan en raken gestoord.

Dit is het klassieke dilemma in kwantumcomputers: Snelheid versus Rust. Hoe sneller je wilt lezen, hoe meer je de kwantum-bitjes stoort.

De Oplossing: Een Geluidsdichte Muur met een Speciale Deur

De auteurs van dit paper hebben een slimme oplossing bedacht: een 3D-geïntegreerde filter.

Stel je voor dat je elke muzikant (qubit) in een geluidsdichte kamer zet. Maar je wilt ze toch kunnen horen. In plaats van een open raam, bouw je een speciale deur in de muur.

Deze deur is alleen open voor de specifieke geluidsfrequentie van het leesapparaat (de "lees-toon").
Voor alle andere geluiden, vooral de trage, storende geluiden die de muzikant zelf maakt, is de deur stevig dicht.

In de techniek noemen ze dit een Purcell-filter. Het zorgt ervoor dat de kwantum-bitjes rustig kunnen blijven, terwijl het leesapparaat toch razendsnel zijn werk kan doen.

Wat is er nieuw aan dit ontwerp?

Vroeger waren deze "deuren" (filters) vaak grote, ingewikkelde constructies die direct op het chipje zelf werden gebouwd. Dit maakte de chip groot, zwaar en moeilijk uit te breiden. Het was alsof je voor elke muzikant een heel groot, apart gebouw moest bouwen.

Deze nieuwe uitvinding doet iets heel anders:

Het zit in de muur, niet in de kamer: In plaats van de filter op het kwantum-chipje te bouwen, hebben ze hem ingebouwd in de printplaat (PCB) die het chipje vasthoudt. Denk aan de printplaat als de vloer en muren van het gebouw. De filter zit nu "in de muur" van het gebouw, ver weg van de muzikanten zelf.
Het is een flatgebouw (3D): Ze hebben de filter niet plat op de vloer gelegd, maar als een drie-dimensionale structuur in de lagen van de printplaat gestopt. Het lijkt een beetje op een ingebouwde antenne die als een trommelvlies fungeert.
Eén deur voor negen muzikanten: De slimste truc is dat één van deze filters niet maar één, maar wel negen lees-apparaten (resonatoren) tegelijk kan bedienen. Het is alsof één deur toegang geeft tot negen verschillende zalen. Dit maakt het mogelijk om veel meer kwantum-bitjes tegelijk te lezen zonder dat je de hele boel hoeft uit te breiden.

Waarom is dit belangrijk?

De onderzoekers hebben dit getest met een chip van 35 kwantum-bitjes.

Resultaat: De filter werkte perfect. De kwantum-bitjes bleven heel lang "in de juiste toestand" (ze hadden een lange T1-tijd, wat betekent dat ze niet snel "vergeten" wat ze aan het doen waren).
De vergelijking: Zonder deze filter zouden de bitjes waarschijnlijk binnen 39 microseconden "vergeten" zijn wat ze deden. Met de filter kunnen ze het duizend keer langer volhouden (in theorie), en in de praktijk bleven ze zelfs 84 microseconden stabiel.
Schaalbaarheid: Omdat de filter in de printplaat zit en niet op het chipje zelf, kun je dit ontwerp heel makkelijk herhalen. Je kunt zo'n printplaat als een tegelpatroon uitbreiden naar honderden of zelfs duizenden kwantum-bitjes. Het maakt de kwantumcomputer kleiner, sneller en goedkoper om te bouwen.

Samenvattend in één zin:

Deze wetenschappers hebben een slimme, ingebouwde "geluidsdichte deur" ontworpen in de vloer van de computer, waardoor de kwantum-bitjes rustig kunnen slapen terwijl we ze toch razendsnel kunnen wakker maken om hun werk te doen, en dit alles in een ontwerp dat makkelijk groter te maken is.

Titel: 3D Geïntegreerde Ingebouwde Filters voor Supergeleidende Quantum Circuits

Auteurs: W. Ahmad, G. Consani, M. T. Haque, J. Dunstan, en B. Vlastakis (Oxford Quantum Circuits Ltd)
Datum: 2 maart 2026

1. Het Probleem

Supergeleidende qubits zijn een leidend platform voor quantumcomputing vanwege hun schaalbaarheid en controleerbaarheid. Echter, ze zijn gevoelig voor decoherentie, met name energie-ontspanning (relaxatie). Een cruciale uitdaging bij het uitlezen van qubits is de afweging tussen uitleessnelheid en qubit-coherentie.

De Purcell-effect: Om een qubit snel uit te lezen, moet de koppeling tussen de resonator en de uitlegleiding sterk zijn. Dit verhoogt echter het risico dat de qubit energie verliest via de uitlegleiding (Purcell-verval), wat de coherentietijd ( $T_1$ ) verkort.
Huidige oplossingen: Traditionele Purcell-filters worden vaak op de chip zelf (on-chip) geïmplementeerd met transmissielijnen. Dit leidt tot een groot oppervlak (footprint), wat de schaalbaarheid beperkt en de complexiteit van het ontwerp vergroot.
Lekkage: Er is nog geen bewezen integratie van Purcell-filters in de printplaat (PCB) verpakking die specifiek voor supergeleidende quantumprocessors (QPU) wordt gebruikt, terwijl PCB's wel standaard zijn voor signaallevering.

2. Methodologie

De auteurs presenteren een innovatieve 3D-geïntegreerde architectuur waarbij de filters niet op de qubit-chip, maar in een meelaagse PCB (Printed Circuit Board) zijn ingebouwd.

Architectuur: De QPU is verticaal opgebouwd in lagen: qubit-laag, resonator-laag, filter-laag, output-laag en controle-laag. De qubit-chip wordt via een aluminium spacer gekoppeld aan de PCB.
Filterontwerp:
- Het filter is een driehoekige patch-antenne die is ingebed in de middelste laag van de PCB.
- Het fungeert als een bandpassfilter met een centrale frequentie van 9,8 GHz (het leesbereik).
- Multiplexing: Elk filterunit kan tot negen leesresonatoren tegelijkertijd koppelen (9-naar-1 multiplexing).
- Constructie: De PCB bestaat uit drie koperlagen met Rogers RT/duroid 5880 als diëlektrisch substraat. De filterpatch is omgeven door geaarde afschermingsvias om kruispraat (crosstalk) te minimaliseren.
Simulatie: Uitgebreide elektromagnetische simulaties (met Ansys HFSS) zijn uitgevoerd, zowel voor de PCB alleen als voor de gekoppelde QPU. Dit om de kwaliteitfactoren ( $Q$ ) en de isolatie van de qubit te modelleren.
Experiment: Een fysieke implementatie is getest met een 35-qubit OQC-Toshiko processor bij cryogene temperaturen (11 mK). De prestaties zijn vergeleken met simulaties en eerdere generaties zonder dit specifieke filter.

3. Belangrijkste Bijdragen

Off-chip Integratie: Het volledig verwijderen van filtercomponenten van de qubit-substraat. Dit verkleint de chipgrootte, vereenvoudigt het ontwerp en maakt de ontwikkeling van de qubit-stack en de lees/filter-stack los van elkaar mogelijk.
Schaalbaarheid: Het ontwerp is "tegelbaar" (tileable). Omdat het filter in de PCB zit en geen vlakke signaalleidingen op de chip vereist, past het binnen de footprint van negen qubits, wat schaalbaarheid naar duizenden qubits mogelijk maakt.
Hoge Multiplexing: Het vermogen om negen resonatoren via één filterunit te koppelen, wat de efficiëntie van het uitlezen aanzienlijk verhoogt.
3D-Verpakking: Eerste demonstratie van een Purcell-filter dat is geïntegreerd in een standaard multilaag PCB-verpakking voor supergeleidende qubits.

4. Resultaten

Isolatie en Purcell-bescherming:
- Simulaties voorspellen een 1000-voudige verbetering (ongeveer 30 dB) in de isolatie van de qubit tegen het radiatieve vervalkanaal naar de uitlegpoort, vergeleken met een systeem zonder filter.
- De simulaties tonen aan dat de qubit-kwaliteitsfactor ( $Q_{qb}$ ) bij de qubit-frequentie (~4,4 GHz) sterk toeneemt door het filter, terwijl de resonator-kwaliteitsfactor binnen het passband (9,8 GHz) hoog blijft voor snelle uitlezing.
Experimentele Validatie:
- Coherentie: De gemeten mediane $T_1$ tijd voor de qubits was 84 µs (met een standaardafwijking van 19 µs).
- Vergelijking: Zonder het filter zou de radiatieve limiet voor $T_1$ naar verwachting slechts ~39 µs bedragen. Omdat de gemeten waarden aanzienlijk hoger liggen, is bewezen dat het filter effectief werkt en Purcell-verval onderdrukt.
- Resonator Kwaliteit: De externe kwaliteitfactoren ( $Q_{ext}$ ) van de resonatoren volgen het verwachte filterprofiel met een bandbreedte van ongeveer 700 MHz, wat snelle uitlezing toelaat.
- Multiplexing: Het systeem slaagde erin om minimaal acht gemedixteerde signalen tegelijkertijd van één outputlijn te lezen.
Compatibiliteit: De filters zijn compatibel met hoog-coherente qubits ( $T_1$ en $T_{2,echo} > 80$ µs) zonder in te leveren op de uitleessnelheid.

5. Betekenis en Conclusie

Dit werk markeert een belangrijke stap in de schaalbaarheid van supergeleidende quantumcomputers. Door de Purcell-filters te verplaatsen naar de PCB-verpakking in plaats van de chip zelf, lossen de auteurs twee grote problemen op:

Oppervlakte-efficiëntie: Het verkleint de footprint per qubit, wat essentieel is voor processors met honderden of duizenden qubits.
Modulariteit: Het scheidt de ontwikkeling van de kwantumchip van de uitleg- en filtertechnologie, waardoor complexere filters en schaalbare verpakkingen makkelijker te implementeren zijn.

De resultaten bewijzen dat deze 3D-geïntegreerde aanpak de noodzakelijke balans biedt tussen snelle, hoog-trouwheid uitlezing en het behoud van lange qubit-coherentietijden, een cruciale voorwaarde voor fouttolerante quantumcomputing. Toekomstig werk richt zich op het analyseren van materiaaleffecten en het uitbreiden naar systemen met meer dan 500 qubits.