超导量子比特中的量子跳跃方法

量子力学自建立以来很长一段时间被当作是描述系综运动的理论.但是上世纪80年代对冈禁离子和原子的研究观测到了量子跳跃现象,迫使人们发展了一些能够用于单量子系统的方法,其中之一就是量子跳跃方法.本文总结了我们近来把量子跳跃方法应用到以约瑟夫森隧道结为基础的超导量子比特的工作.我们不但实验观测到宏观量子系统中的量子跳跃,还可以利用量子跳跃现象来研究固体中普遍存在的两能级系统及其引起的超导量子比特中的退相干.     

基于超导量子比特的电磁感应透明研究进展

超导量子计算是目前被认为最有希望实现量子计算机的方案之一. 超导量子比特是超导量子计算的核心部件. 如何尽可能的增加超导量子比特的退相干时间, 大规模的集成超导量子比特已成为超导量子计算研究的主要方向. 超导量子比特作为宏观的人工原子, 有许多量子光学现象都能够在其中观测到. 利用超导量子比特实现电磁感应透明为研究超导量子比特的退相干机理提供了新手段, 为研究非线性光学、光存储、光的超慢速传输等量子光学效应开辟了新思路. 本文介绍了电磁感应透明的理论基础, 总结了目前针对超导量子比特的电磁感应透明研究进展, 对比了一般气体原子与超导量子比特的电磁感应透明区别, 并对超导量子比特实现电磁感应透明的潜在应用进行了总结和展望.     

基于新型超导电荷量子比特的几何量子门

超导量子系统被认为是最可能用于实现大规模量子计算、量子信息、以及量子存储等的物理系统之一.本文在一种特别设计的超导电荷比特的基础上,通过微波腔与超导比特的相互作用,探讨了在此系统中实现几何相单门以及非常规几何相两量子门的途径,并讨论了制备多量子比特最大纠缠态的方法.     

新型超导量子比特及量子物理问题的研究

近年来,超导量子计算的研究有了很大的进展.本文首先介绍了nSQUID新型超导量子比特的制备和研究进展,包括器件的平面多层膜制备工艺和量子相干性的研究.这类器件在量子态的传输速度和二维势系统的基础物理问题研究方面有着很大的优越性.其次,国际上新近发展的平面形式的transmon和Xmon超导量子比特具有更长的量子相干时间,在器件的设计和耦合方面也有相当的灵活性.本文介绍了我们和浙江大学与中国科学技术大学等单位合作逐步完善的这种形式的Xmon器件的制备工艺、制备出的多种耦合量子比特芯片,以及参与合作,在国际上首次完成的多达10个超导量子比特的量子态纠缠、线性方程组量子算法的实现和多体局域态等固体物理问题的量子模拟.最后介绍了基于这些超导量子比特器件开展的大量的量子物理、非线性物理和量子光学方面的研究,包括在Autler-Townes劈裂、电磁诱导透明、受激拉曼绝热通道、循环跃迁和关联激光等方面形成的一整套系统和独特的研究成果.     

超导量子比特

随着2019年谷歌成功实现了“量子优势”,超导量子计算的研究正引起人们更加广泛的关注.超导量子比特是拥有量子化能级、量子态叠加和量子态纠缠等量子力学特性的宏观器件,目前被广泛应用于量子物理、原子物理、量子光学、量子化学、量子模拟和量子计算等诸多领域中.本文将重点讨论位相、电荷、传输子以及磁通型超导量子比特的基本原理及其器件结构,并讨论器件的制备方法和量子态测量技术,最后对基于超导量子比特开展的物理问题的研究做一简单介绍.     

基于约瑟夫森器件的超导量子比特

超导量子比特利用了超导约瑟夫森隧道结的非线性效应,采用了半导体集成电路的工艺,以其无能耗,大设计加工自由度,易规模化等优点而倍受注目。本文对超导量子比特的基本原理及发展过程作了简要综述。首先简要回顾了量子计算的历史,然后介绍了超导量子比特的设计及其调控,并对各种超导量子比特的消相干进行了讨论。     

3D-Transmon与压电振子的量子耦合系统北大核心

微机械振子在量子信息领域有着重要的应用,可用作量子存储器、量子换能器等.鉴于三维传输子量子比特(3D-Transmon)优良的退相干特性以及AlN压电振子较高的谐振频率,我们利用微纳加工技术,在蓝宝石基片上成功制备了3D-Transmon与AlN压电振子的量子耦合系统.实际测量结果显示,在外加磁场偏置下,量子比特的跃迁频率可调范围为4.1~9.8 GHz,能量弛豫时间T1约为4.7μs,并且测量到了能级免交叉现象.这些结果为今后超导量子比特与微机械振子耦合系统的深入研究提供了重要参考.     

超导量子比特的耦合研究进展

超导量子比特以其在可控性、低损耗以及可扩展性等方面的优势被认为是最有希望实现量子计算机的固态方式之一.量子比特之间的相干可控耦合是实现大规模的量子计算的必要条件.本文介绍了超导量子比特耦合方式的研究进展,包括利用电容或电感实现量子比特的局域耦合,着重介绍一维传输线谐振腔作为量子总线实现多个量子比特的可控耦合的电路量子电动力学体系,并对最新的三维腔与超导量子比特的耦合结构的研究进展进行了论述.对各种耦合体系的哈密顿量进行了比较详细的分析,并按照局域性和可控性对不同耦合机制进行了分类.     

固态量子计算的若干重要物理问题研究

量子计算机拥有比经典计算机更为强大的计算能力．人们普遍认为量子计算机最终将会在固态系统中实现．文章介绍了一些有关固态量子计算的研究进展，其中包括超导电荷量子比特方案、几何量子计算、量子点量子比特及量子计算若干基本问题研究．最后给出了固态量子计算的发展趋势．     

铌基超导量子比特及辅助器件的制备

近年来超导量子计算的研究方兴未艾,随着谷歌宣布首次实现“量子优势”,这一领域的研究受到了人们进一步的广泛关注.超导量子比特是具有量子化能级、量子态叠加和量子态纠缠等典型量子特性的宏观器件,通过电磁脉冲信号控制磁通量、电荷或具有非线性电感和无能量耗散的约瑟夫森结上的位相差,可对量子态进行精确调控,从而实现量子计算和量子信息处理.超导量子比特有着诸多方面的优势,很有希望成为普适量子计算的核心组成部分.以铌或其他硬金属(如钽等)为首层大面积材料制备的超导量子比特及辅助器件(简称铌基器件)拥有其独特的优点以及进一步发展的空间,目前已引起越来越多的兴趣.本文将介绍常见的多种超导量子比特的基本构成和工作原理,进而按照器件加工的一般顺序,从基片选择和预处理、薄膜生长、图形转移、刻蚀和约瑟夫森结的制备等方面详细介绍铌基超导量子比特及其辅助器件的多种制备工艺,为超导量子比特的制备提供一个可借鉴的清晰的工艺过程.最后,介绍若干制备铌基超导量子比特与辅助器件的具体例子,并对器件制备的工艺与方法的优化做展望.     

通过设计量子库来调控量子比特间的Bell非定域性研究

量子系统间的Bell非定域性是一种比量子纠缠更为严格的量子关联,它在刻画多体量子关联有着不可或缺的作用.类似于量子纠缠,在开放两量子比特和三量子比特系统中的Bell非定域性可能会出现猝死现象.本文建议了一个可供选择的方案即在热库环境中通过增加辅助粒子来调控两量子比特和三量子比特间的Bell非定域性动力学.研究发现：通过调节辅助粒子数目,不仅两量子比特和三量子比特系统的Bell非定域性可以避免猝死现象的发生,而且在长时间极限下它能维持在一个较高水平.论文得到的结果将对多体量子系统间量子关联的调控和避免猝死现象等相关研究有积极的指导意义.     

利用热平衡态超导电荷量子比特实现量子隐形传态

本文利用处于热平衡态的两个相同超导电荷量子比特纠缠态作为量子隐形传态的信道,给出标准量子隐形传态协议下传递单量子比特态和两量子比特态的纠缠以及非标准协议下传递单量子比特态时平均保真度的解析表达式,研究其随温度、约瑟夫森能等系统参数的变化情况．计算结果表明,在标准量子隐形传态协议下传递两量子比特之间的纠缠以及非标准量子隐形传态协议下传递单量子比特态时可以实现接近理想的量子隐形传态．     

宏观共振隧穿的新进展及其在量子信息处理中的应用(英文)

从量子力学诞生以来,关于宏观物体的运动是否遵循量子力学的辩论就一直没有停止过。上世纪八十年代初期以来,一系列在约瑟夫森结和超导量子干涉器件(SQUID)中观测到的实验结果,包括相位和磁通的宏观量子隧穿,能级量子化,宏观共振隧穿,和在微波驱动下的相干动力学过程对认为宏观物体的运动在满足一定条件下同样遵循量子力学规律的观点提供了强有力的实验证据。在众多已观察到的宏观量子现象中,宏观共振隧穿结合了能级分立和隧穿这两个最具特征的量子现象。由于宏观共振隧穿的观测无需使用高频电磁波激发,这就避免了实验结果也可以用经典物理解释的可能,所以在一个系统中观测到宏观共振隧穿可以说是展示该系统的量子属性的最有力证据。本文讨论近年来从理论和实验两方面理解耗散和磁通噪声对类似SQUID的双势阱系统宏观共振隧穿率和谱线形状的影响。评述宏观共振隧穿谱的测量在探寻、理解、克服超导磁通量子比特中的退相干机制并最终实现规模化量子计算方面的应用。     

Al/Al_2O_3/Al隧道结相位扩散的现象

超导约瑟夫森结是超导量子比特的核心元件,由约瑟夫森结组成的直流超导量子干涉器(DC-SQUID)由于其具有较高的探磁灵敏度,在超导磁通量子比特量子位测量中具有重要的作用.我们用铝为超导材料,采用电子束斜蒸发及静态氧化的方法制备了由两个Al/Al2O3/Al隧道结并联组成的DC-SQUID样品.将DC-SQUID样品置于20~1000mK范围内的不同温度下,对其跳变电流分布进行了测量.在50mK明显观测到了隧道结跳变电流机制由宏观量子隧穿到热激发的转变,并且在高于80mK时,观测到了相位扩散的现象.这对于隧道结相位动力学研究具有重要意义.     

在腔耦合的超导量子比特中实现几何量子信息处理

用量子空腔耦合的超导电荷比特器件被认为是实现量子信息处理的相当有希望的体系之一.如何在这种可集成的量子体系中实现高保真度的操作是量子信息处理领域的重要课题.文章介绍作者最近提出的在量子腔耦合的超导量子比特中用具有内禀容错功能的几何操作来实现普适量子逻辑门,产生多比特量子纠缠及实现量子纠错编码的一个可行方案.     

关于多比特电路量子动力学系统中光子自由度的消除方案研究

基于超导传输线和超导量子比特相互耦合的电路量子电动力学（quantumelectrodynamics,QED）系统,是研究固态量子信息和量子测量与控制的理想实验平台．本文在已有工作（单比特电路QED）基础上,进一步研究多比特电路QED系统．具体通过对两比特系统的量子测量和量子控制动力学的模拟,检验了“绝热消除”和“极化子变换”两种消除微腔光子自由度方法的适用条件．和单比特情况不同,我们特别检验了两比特系统Bell纠缠态的“确定性”制备问题．在量子路径水平上模拟发现,由于反馈操作引起量子比特状态翻转,使得极化子变换方法失效,它所导出的“有效测量算符”（其中含有非平庸的“宇称项”）此时也将变得没有意义．     

微波驱动下超导量子比特与磁振子的相干耦合

实验上展示了钇铁石榴石(YIG)晶体小球中磁振子与超导量子比特的驱动缀饰态之间的相干强耦合,磁振子的加入使得在超导量子比特中形成了双重缀饰态.实验中一个钇铁石榴石晶体小球与一个超导量子比特同时放置在三维谐振腔中,分别通过磁偶极相互作用和电偶极相互作用与谐振腔中的本征场(TE102模式)耦合,并通过腔模作为媒介实现两者之间的有效相干强耦合.给超导量子比特施加一个共振的微波驱动并改变驱动强度,测得耦合系统能级劈裂随驱动强度的变化,并理论上利用粒子-空穴对与玻色场耦合的模型做了计算.在大部分的驱动强度范围内实验结果都与理论计算结果符合得较好,表明驱动下的比特-磁振子耦合系统可以用来模拟粒子-空穴对称对与玻色场的耦合系统.本文使用的混合量子系统为模拟玻色子与费米子的混合系统提供了一个新途径.     

超导量子比特实验的开端

我们对超导量子比特领域的科学背景、历史起源和早期发展做简要评述.莱格特(Anthony J. Leggett)为这个领域打下了理论基础.克拉克(John Clarke)和他的两个学生马丁尼(John Martinis)和德沃雷(Michel H. Devoret)最早通过偏电流约瑟夫森结,首次观察到约瑟夫森结的量子行为.后来德沃雷实现了电荷量子比特叠加态、电荷-磁通混合量子比特的拉比共振和其他演化及投影测量.中村泰信(Yasunobu Nakamura)首先实现电荷量子比特的量子叠加和拉比振荡,还参与莫伊(J. E. Mooij)组实现了磁通量子比特的拉比振荡和读出.     

约瑟夫森器件中的宏观量子现象及超导量子计算

超导体中的电子结成库珀对，凝聚到可以用一个宏观波函数来描绘的能量基态，该波函数的位相是代表了成百万库珀对集体运动的宏观变量．以约瑟夫森结为基础元件的超导约瑟夫森器件，使人们能够控制并测量一个超导体的位相和库珀对数目，因此是研究宏观量子现象的理想系统．文章回顾了约瑟夫森器件中的宏观量子现象研究的发展历程，介绍了当前超导约瑟夫森器件在量子计算中的重要应用，并对它们的未来作了简要的展望．     

宏观共振隧穿的新进展及其在量子信息处理中的应用

从量子力学诞生以来,关于宏观物体的运动是否遵循量子力学的辩论就一直没有停止过.上世纪八十年代初期以来,一系列在约瑟夫森结和超导最子干涉器件(SQUID)中观测到的实验结果,包括相位和磁通的宏观量子隧穿,能级量子化,宏观共振隧穿,和在微波驱动下的相干动力学过程对认为宏观物体的运动在满足一定条件下同样遵循量子力学规律的观点提供了强有力的实验证据.在众多已观察到的宏观量子现象中,宏观共振隧穿结合了能级分立和隧穿这两个最具特征的量子现象.由于宏观共振隧穿的观测无需使用高频电磁波激发,这就避免了实验结果也可以用经典物理解释的可能,所以在一个系统中观测到宏观共振隧穿可以说是展示该系统的量子属性的最有力证据.本文讨论近年来从理论和实验两方面理解耗散和磁通噪声对类似SQUID的双势阱系统宏观共振隧穿率和谱线形状的影响.评述宏观共振隧穿谱的测量在探寻、理解、克服超导磁通量子比特中的退相干机制并最终实现规模化量子计算方面的应用.