We demonstrate strong coupling of gigahertz-frequency nanomechanical resonators to a frequency-tunable superconducting microwave resonator via a galvanically bonded flip-chip method. By tuning the microwave resonator with an external magnetic field, we observe a series of hybridized microwave-mechanical modes and report coupling strengths of 15 MHz at cryogenic temperatures. The demonstrated multi-chip approach provides flexible rapid characterization and simplified fabrication and could potentially enable coupling between a variety of quantum systems. Our work represents a step toward a plug-and-play architecture for building more complex hybrid quantum systems.

1.
A. A.
Clerk
,
K. W.
Lehnert
,
P.
Bertet
,
J. R.
Petta
, and
Y.
Nakamura
,
Nat. Phys.
16
,
257
(
2020
).
2.
D.
Mason
,
J.
Chen
,
M.
Rossi
,
Y.
Tsaturyan
, and
A.
Schliesser
,
Nat. Phys.
15
,
745
(
2019
).
3.
M.
Pechal
,
P.
Arrangoiz-Arriola
, and
A. H.
Safavi-Naeini
,
Quantum Sci. Technol.
4
,
015006
(
2018
).
4.
C. T.
Hann
,
C. L.
Zou
,
Y.
Zhang
,
Y.
Chu
,
R. J.
Schoelkopf
,
S. M.
Girvin
, and
L.
Jiang
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
250501
(
2019
).
5.
W.
Jiang
,
F. M.
Mayor
,
S.
Malik
,
R.
Van Laer
,
T. P.
McKenna
,
R. N.
Patel
,
J. D.
Witmer
, and
A. H.
Safavi-Naeini
,
Nat. Phys.
(published online 2023).
6.
S.
Meesala
,
S.
Wood
,
D.
Lake
,
P.
Chiappina
,
C.
Zhong
,
A. D.
Beyer
,
M. D.
Shaw
,
L.
Jiang
, and
O.
Painter
, arXiv:2303.17684 (
2023
).
7.
M. J.
Weaver
,
P.
Duivestein
,
A. C.
Bernasconi
,
S.
Scharmer
,
M.
Lemang
,
T. C.
van Thiel
,
F.
Hijazi
,
B.
Hensen
,
S.
Gröblacher
, and
R.
Stockill
, arXiv:2210.15702 (
2022
).
8.
M.
Mirhosseini
,
A.
Sipahigil
,
M.
Kalaee
, and
O.
Painter
,
Nature
588
,
599
(
2020
).
9.
W.
Jiang
,
C. J.
Sarabalis
,
Y. D.
Dahmani
,
R. N.
Patel
,
F. M.
Mayor
,
T. P.
McKenna
,
R.
Van Laer
, and
A. H.
Safavi-Naeini
,
Nat. Commun.
11
(
1
),
1166
(
2020
).
10.
X.
Han
,
W.
Fu
,
C.
Zhong
,
C.-L.
Zou
,
Y.
Xu
,
A. A.
Sayem
,
M.
Xu
,
S.
Wang
,
R.
Cheng
,
L.
Jiang
et al,
Nat. Commun.
11
,
3237
(
2020
).
11.
X.
Han
,
W.
Fu
,
C.-L.
Zou
,
L.
Jiang
, and
H. X.
Tang
,
Optica
8
,
1050
(
2021
).
12.
A.
Blais
,
R. S.
Huang
,
A.
Wallraff
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. A
69
,
062320
(
2004
).
13.
A.
Wallraff
,
D. I.
Schuster
,
A.
Blais
,
L.
Frunzio
,
R. S.
Huang
,
J.
Majer
,
S.
Kumar
,
S. M.
Girvin
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Nature
431
,
162
(
2004
).
14.
H.
Paik
,
D. I.
Schuster
,
L. S.
Bishop
,
G.
Kirchmair
,
G.
Catelani
,
A. P.
Sears
,
B. R.
Johnson
,
M. J.
Reagor
,
L.
Frunzio
,
L. I.
Glazman
,
S. M.
Girvin
,
M. H.
Devoret
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
240501
(
2011
).
15.
C.
Wang
,
Y. Y.
Gao
,
I. M.
Pop
,
U.
Vool
,
C.
Axline
,
T.
Brecht
,
R. W.
Heeres
,
L.
Frunzio
,
M. H.
Devoret
,
G.
Catelani
,
L. I.
Glazman
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Nat. Commun.
5
,
5836
(
2014
).
16.
K.
Satzinger
,
C.
Conner
,
A.
Bienfait
,
H.-S.
Chang
,
M.-H.
Chou
,
A.
Cleland
,
É.
Dumur
,
J.
Grebel
,
G.
Peairs
,
R.
Povey
et al,
Appl. Phys. Lett.
114
,
173501
(
2019
).
17.
C.
Conner
,
A.
Bienfait
,
H.-S.
Chang
,
M.-H.
Chou
,
É.
Dumur
,
J.
Grebel
,
G.
Peairs
,
R.
Povey
,
H.
Yan
,
Y.
Zhong
et al,
Appl. Phys. Lett.
118
,
232602
(
2021
).
18.
Y.
Chu
,
P.
Kharel
,
W. H.
Renninger
,
L. D.
Burkhart
,
L.
Frunzio
,
P. T.
Rakich
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Science
358
,
199
(
2017
).
19.
Y.
Chu
,
P.
Kharel
,
T.
Yoon
,
L.
Frunzio
,
P. T.
Rakich
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Nature
563
,
666
(
2018
).
20.
P.
Arrangoiz-Arriola
,
E. A.
Wollack
,
M.
Pechal
,
J. D.
Witmer
,
J. T.
Hill
, and
A. H.
Safavi-Naeini
,
Phys. Rev. X
8
,
031007
(
2018
).
21.
K. J.
Satzinger
,
Y.
Zhong
,
H.-S.
Chang
,
G. A.
Peairs
,
A.
Bienfait
,
M.-H.
Chou
,
A.
Cleland
,
C. R.
Conner
,
É.
Dumur
,
J.
Grebel
et al,
Nature
563
,
661
(
2018
).
22.
P.
Arrangoiz-Arriola
,
E. A.
Wollack
,
Z.
Wang
,
M.
Pechal
,
W.
Jiang
,
T. P.
McKenna
,
J. D.
Witmer
,
R.
Van Laer
, and
A. H.
Safavi-Naeini
,
Nature
571
,
537
(
2019
).
23.
L. R.
Sletten
,
B. A.
Moores
,
J. J.
Viennot
, and
K. W.
Lehnert
,
Phys. Rev. X
9
,
021056
(
2019
).
24.
G.
Peterson
,
S.
Kotler
,
F.
Lecocq
,
K.
Cicak
,
X.
Jin
,
R.
Simmonds
,
J.
Aumentado
, and
J.
Teufel
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
247701
(
2019
).
25.
E. A.
Wollack
,
A. Y.
Cleland
,
R. G.
Gruenke
,
Z.
Wang
,
P.
Arrangoiz-Arriola
, and
A. H.
Safavi-Naeini
,
Nature
604
,
463
(
2022
).
26.
A.
Bienfait
,
K. J.
Satzinger
,
Y.
Zhong
,
H.-S.
Chang
,
M.-H.
Chou
,
C. R.
Conner
,
É.
Dumur
,
J.
Grebel
,
G. A.
Peairs
,
R. G.
Povey
et al,
Science
364
,
368
(
2019
).
27.
S.
Chakram
,
A. E.
Oriani
,
R. K.
Naik
,
A. V.
Dixit
,
K.
He
,
A.
Agrawal
,
H.
Kwon
, and
D. I.
Schuster
,
Phys. Rev. Lett.
127
,
107701
(
2021
).
28.
A.
Suleymanzade
,
A.
Anferov
,
M.
Stone
,
R. K.
Naik
,
A.
Oriani
,
J.
Simon
, and
D.
Schuster
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
104001
(
2020
).
29.
S.
Haroche
,
M.
Brune
, and
J. M.
Raimond
,
Nat. Phys.
16
,
243
(
2020
).
30.
M.
Wu
,
E.
Zeuthen
,
K. C.
Balram
, and
K.
Srinivasan
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
014027
(
2020
).
31.
R.
Stockill
,
M.
Forsch
,
F.
Hijazi
,
G.
Beaudoin
,
K.
Pantzas
,
I.
Sagnes
,
R.
Braive
, and
S.
Gröblacher
,
Nat. Commun.
13
,
6583
(
2022
).
32.
M.
Xu
,
X.
Han
,
W.
Fu
,
C.-L.
Zou
, and
H. X.
Tang
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
192601
(
2019
).
33.
E. A.
Wollack
,
A. Y.
Cleland
,
P.
Arrangoiz-Arriola
,
T. P.
McKenna
,
R. G.
Gruenke
,
R. N.
Patel
,
W.
Jiang
,
C. J.
Sarabalis
, and
A. H.
Safavi-Naeini
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
123501
(
2021
).
34.
X.
Li
,
Y.
Zhang
,
C.
Yang
,
Z.
Li
,
J.
Wang
,
T.
Su
,
M.
Chen
,
Y.
Li
,
C.
Li
,
Z.
Mi
et al,
Appl. Phys. Lett.
119
,
184003
(
2021
).
35.
C. U.
Lei
,
L.
Krayzman
,
S.
Ganjam
,
L.
Frunzio
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
154002
(
2020
).
36.
B.
Foxen
,
J.
Mutus
,
E.
Lucero
,
R.
Graff
,
A.
Megrant
,
Y.
Chen
,
C.
Quintana
,
B.
Burkett
,
J.
Kelly
,
E.
Jeffrey
et al,
Quantum Sci. Technol.
3
,
014005
(
2018
).
37.
D.
Rosenberg
,
D.
Kim
,
R.
Das
,
D.
Yost
,
S.
Gustavsson
,
D.
Hover
,
P.
Krantz
,
A.
Melville
,
L.
Racz
,
G.
Samach
et al,
npj Quantum Inf.
3
,
42
(
2017
).
38.
S.
Kosen
,
H.-X.
Li
,
M.
Rommel
,
D.
Shiri
,
C.
Warren
,
L.
Grönberg
,
J.
Salonen
,
T.
Abad
,
J.
Biznárová
,
M.
Caputo
et al,
Quantum Sci. Technol.
7
,
035018
(
2022
).
39.
G.
Harman
,
Wire Bonding in Microelectronics
(
McGraw-Hill Education
,
2010
).
40.
J.
Onuki
,
M.
Suwa
,
M.
Koizumi
, and
T.
Iizuka
,
IEEE Trans. Compon., Hybrids, Manuf. Technol.
10
,
242
(
1987
).
41.
M. H. M.
Hizukuri
,
N. W. N.
Watanabe
, and
T. A. T.
Asano
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
40
,
3044
(
2001
).
42.
M.
Tani
,
H.
Watanabe
,
A.
Nishimura
,
S.
Kachi
,
N.
Katada
, and
S.
Sugiura
,
Fujitsu Ten Tech. J.
34
,
19
(
2010
), available at https://www.denso-ten.com/business/technicaljournal/pdf/34-3.pdf.
43.
T.
Shuto
and
T.
Asano
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
54
,
030204
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.