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.     

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.     

超导量子比特谱

时间晶体的首次构造成功使人们意识到超导量子计算以其拥有的诸多优点在物理学前沿问题的研究应用上走在了其他量子计算方案的前面.作为"物理前沿介绍——超导量子计算"系列的第三篇,本文系统阐述多种超导量子比特的基本组成以及其物理特征,给出一个超导量子比特的"谱"并对新近发现的研究结论和新近提出的设计方案进行讨论,最后对超导量子...     

超导量子比特耦合与测控的物理原理

把多个超导量子比特耦合起来并实现对它们的测控是实现超导量子计算的重要一步。作为“物理前沿介绍——超导量子计算”系列的第四篇,本文系统阐述超导量子比特耦合,操控与测量的物理原理,并给出了一套基本的量子操控与测量的流程。作为例子对新近一些超导量子比特实验的设计方案进行讨论,最后对超导量子比特测控基础表征过程给出统一的流程图,并对超导量子计算进行了展望。本文旨在帮助广大高校物理专业教师、高年级本科生、研究生以及对超导量子计算感兴趣的理工科背景读者系统了解操控与测量超导量子比特的物理原理。     

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...     

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.     

基于超导量子比特网络的Grover搜索算法实现方案

首先,提出了一个改进超导电路结构,此结构能实现任意两个量子比特的相互作用而非近邻作用,长程作用是实现量子计算所必需的,此结构能用目前的技术制作。其次,基于此结构提出了Grover搜索算法实现的物理方案。由于能实现任意两量子比特之间的控制相位门,所以多比特Grover搜索算法也能实现,以满足各种量子计算的需要。此方案是一个基于电流控制的超导电荷比特网络结构的可扩展及易实现的Grover搜索算法实现方案。     

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.     

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．     

基于超导量子比特网络的Grover搜索算法实现方案(英文)

提出一个改进超导电路结构,此结构能实现量子计算所必需的任意两量子比特之间的长程作用,此结构能用目前技术制作.其次,基于此结构提出Grover搜索算法实现的物理方案.由于能实现任意两量子比特之间的控制相位门,所以多比特Grover搜索算法也能实现,从而满足各种量子计算的需要.此方案是一个基于电流控制的超导电荷比特网络结构的Grover搜索算法实现方案.     

Quantum computation and simulation with superconducting qubits

Superconducting circuits based on Josephson junctions are regarded as one of the most promising technologies for the implementation of scalable quantum computers. This review presents the basic principles of superconducting qubits and shows the progress of quantum computing and quantum simulation based on superconducting qubits in recent years.The experimental realization of gate operations, readout, error correction codes, as well as some quantum algorithms are summarized, followed by an introduction of quantum simulation. And then some important applications in fields including condensed matter physics, quantum annealing, and quantum chemistry are discussed.     

Shortcut-based quantum gates on superconducting qubits in circuit QED

Construction of optimal gate operations is significant for quantum computation. Here an efficient scheme is proposed for performing shortcut-based quantum gates on superconducting qubits in circuit quantum electrodynamics (QED). Two four-level artificial atoms of Cooper-pair box circuits, having sufficient level anharmonicity, are placed in a common quantized field of circuit QED and are driven by individual classical microwaves. Without the effect of cross resonance, one-qubit NOT gate and phase gate in a decoupled atom can be implemented using the invariant-based shortcuts to adiabaticity. With the assistance of cavity bus, a one-step SWAP gate can be obtained within a composite qubit-photon-qubit system by inversely engineering the classical drivings. We further consider the gate realizations by adjusting the microwave fields. With the accessible decoherence rates, the shortcut-based gates have high fidelities. The present strategy could offer a promising route towards fast and robust quantum computation with superconducting circuits experimentally.     

基于SQUIDs和腔场相互作用传送量子信息的方案

本文提出了一个基于SQUIDs和腔场的大失谐相互作用传送量子信息的方案,此方案可以直接地、百分之百地实现量子信息的传送。该方案中腔场和SQUIDs系统之间没有量子信息的传递,腔场只是虚激发, 这样对腔的品质因子的要求大大的降低了。同时也可以在SQUIDs之间建立传送量子信息的量子网络。     

Geometric quantum computation and multiqubit entanglement with superconducting qubits inside a cavity

We analyze a new scheme for quantum information processing, with superconducting charge qubits coupled through a cavity mode, in which quantum manipulations are insensitive to the state of the cavity. We illustrate how to physically implement universal quantum computation as well as multiqubit entanglement based on unconventional geometric phase shifts in this scalable solid-state system. Some quantum error-correcting codes can also be easily constructed using the same technique. In view of the gate dependence on just global geometric features and the insensitivity to the state of cavity modes, the proposed quantum operations may result in high-fidelity quantum information processing.     

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.     

Programmable quantum processor implemented with superconducting circuit

A quantum processor might execute certain computational tasks exponentially faster than a classical processor. Here, using superconducting quantum circuits we design a powerful universal quantum processor with the structure of symmetric all-to-all capacitive connection. We present the Hamiltonian and use it to demonstrate a full set of qubit operations needed in the programmable universal quantum computations. With the device the unwanted crosstalk and ZZ-type couplings between qubits can be effectively suppressed by tuning gate voltages, and the design allows efficient and high-quality couplings of qubits. Within available technology,the scheme may enable a practical programmable universal quantum computer.     

Controllable quantum information network with a superconducting system

We propose a controllable and scalable architecture for quantum information processing using a superconducting system network, which is composed of current-biased Josephson junctions (CBJJs) as tunable couplers between the two superconducting transmission line resonators (TLRs), each coupling to multiple superconducting qubits (SQs). We explicitly demonstrate that the entangled state, the phase gate, and the information transfer between any two selected SQs can be implemented, respectively. Lastly, numerical simulation shows that our scheme is robust against the decoherence of the system.