Extraction of equivalent circuit models of superconducting quantum devices

Scaling superconducting processors beyond a few qubits turns device-level parameters: frequencies, couplings, crosstalk and lifetimes into a design bottleneck, since they depend on the whole chip’s electromagnetic environment rather than on isolated junctions. This work builds a 7-port circuit model of a five-qubit processor: an Ansys HFSS scattering simulation of a Qiskit Metal layout is reduced by vector fitting to a SPICE macromodel, used both for nonlinear time-domain simulation and, independently, for analytic black-box quantisation, so the two cross-check each other. They agree on five well-separated qubit modes (anharmonicities between −206 and −196 MHz), with the classical Kerr shift of the time-domain model of the same order as the analytic anharmonicity; three further cavity-like modes are identified. Crosstalk is dominated by capacitive coupling to adjacent qubits when driven individually, and is markedly worse through the shared feed line. The main limitations are the macromodel’s residual non-passivity, which bounds the Purcell-limited T1 only from below, and the lack of a dedicated control-line port, which restricts crosstalk to the coupling already present in the shared environment.

La scalabilità dei processori superconduttori oltre pochi qubit rende la previsione accurata di parametri come frequenze, accoppiamenti, crosstalk e tempi di vita un collo di bottiglia progettuale, poiché tali grandezze dipendono dall’intero ambiente elettromagnetico e non dalla singola giunzione isolata. Questo lavoro costruisce un modello circuitale a 7 porte di un processore a cinque qubit: una simulazione a parametri di scattering in Ansys HFSS di un layout Qiskit Metal viene ridotta tramite vector fitting a un macro modello SPICE, utilizzato sia per una simulazione non lineare nel dominio del tempo, sia, indipendentemente, per una quantizzazione black-box analitica, cosicché le due descrizioni si verificano a vicenda. I due approcci concordano su cinque modi di qubit ben separati (anarmonicità tra −206 e −196 MHz), con un Kerr shift classico del modello nel dominio del tempo dello stesso ordine dell’anarmonicità analitica; vengono inoltre identificati tre ulteriori modi cavity-like. Il crosstalk è dominato dall’accoppiamento capacitivo tra qubit fisicamente adiacenti quando pilotati singolarmente, ed è nettamente peggiore attraverso la feed line condivisa. I limiti principali sono la non-passività residua del macromodello fittato, che vincola solo dal basso la stima del T1 Purcell-limited, e l’assenza di una porta dedicata alle linee di controllo, che limita l’analisi del crosstalk all’accoppiamento già presente nell’ambiente condiviso.