基于超导电路的奥特-汤恩斯分裂效应

基于约瑟夫森结的超导量子比特是一个宏观的人工原子,通过微纳米加工的方法,可以改变人工原子的基本参数.三维Transmon量子比特是目前已知退相干时间较长的一种量子比特,该量子比特通过电容的方式与三维超导谐振腔进行耦合,是一个人造的原子与腔场耦合系统,可对原子物理、量子力学、量子光学、腔量子电动力学的各种效应进行实验验证.本文制备并实现了3D Transmon量子比特,通过Jaynes-Cummings方法寻找到了区分基态、第一激发态和第二激发态的最佳读出功率,对共振条件下和非共振条件下的奥特-汤恩斯分裂效应进行了测试表征,得到的测试结果与理论结果相符.     

三维传输子量子比特的退相干参数表征

超导量子比特的退相干时间是决定超导量子计算能否实现的重要指标之一. 文章以三维传输子量子比特(3D transmon)为研究对象, 在氧化硅衬底上制备了三维传输子量子比特, 并在超低温下(10 mK), 采用拉比振荡(Rabi oscillation)、能量弛豫(energy relaxation)、 拉姆齐条纹(Ramsey fringe)、自旋回波(spin echo)的方法, 对其进行了详细的退相干时间常数表征. 结果显示该量子比特的退相干时间在几百纳秒. 根据几种退相干时间的关系进行计算, 可以看出, 低频噪声目前不是影响量子比特退相干的最主要因素, 而氧化硅中的缺陷可能是样品退相干时间的主要瓶颈. 关键词： 三维传输子量子比特 拉比振荡 拉姆齐条纹 自旋回波     

初态与纯失相对半导体量子点V型三能级系统拉比振荡的影响

相干光学操控半导体量子点(SQDs)激子态在量子信息、量子计算中具有很重要的应用。通过对影响量子点(QDs)拉比振荡因素的分析,可获得导致量子点体系退相干的物理机制,这为全光操控半导体量子点体系提供了理论依据。线偏振脉冲激光激发自组织InGaAsQDs,运用系统粒子数主方程并结合光学布洛赫矢量推导了单脉冲激发下V型三能级系统激子动力学方程,利用此方程讨论了初始状态及纯失相对拉比振荡的影响。研究表明,可以通过改变系统初态条件和激发场的偏振角对该体系激子拉比振荡的振幅和频率进行调控,可以用纯失相强度相关衰减因子等效地分析V型三能级体系的退相干特性,从而使相关计算得到了简化。     

可调Transmon与二能级系统的耦合

超导量子比特在低温、低耗散下具有量子化的能级结构,是一种人工的固态量子系统.在三维谐振腔中,我们用dc-SQUID实现了跃迁频率可调的Transmon,可调量达到2.836GHz.我们测量了可调Transmon随外加磁场变化的能谱,观察到了能级免交叉,这一现象来自Transmon与其他二能级系统的相互耦合.我们用理论模型进行了模拟仿真,计算结果和实验结果符合的很好.     

关联退极化量子信道中qutrit-qutrit系统的量子相干性演化

为探索量子系统的退相干机制寻找延缓退相干的方法,本文研究了关联量子信道中的退相干过程,计算了关联退极化信道中两体qutrit系统的3种初态:一种特殊初态、最大相干初态和各向同性初态的范数相干性、相对熵相干性及基矢无关相干性.分析得出的解析结果、数值结果和演化图像可以发现:1)完全关联的信道能最大程度地抑制退相干;2)存在一个与关联度无关的最大退相干时间点,但其退相干的演化行为却依赖着关联度;3)信道的关联可以增强子系统间的相干性.基矢无关相干性遵循的不等式关系也在此系统中得以验证.     

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.     

基于核磁共振的子空间量子过程重构

基于三核自旋量子系统实现了内嵌两量子位子空间量子过程重构.通过输入完备态集合对执行的量子过程进行了表征.由于量子过程内嵌于子空间,使得重构实验所需输入次数及时间显著减少,同时实验尽量避免使用时间较长的J偶合演化,有效控制了系统的退相干。     

超导单光子探测器件直流特性研究

超导单光子探测技术是基于超薄超导薄膜的非平衡态热电子效应的一种新型的单光子探测方法。超导单光子探测器(SNSPD)的计数率可达到GHz,时间抖动小于100ps,因而在未来量子通信系统中有着广阔的应用前景。介绍了NbN超导单光子探测器件的工作原理和器件超导性能测试系统;测试了超导单光子探测器件的电阻-温度、电流-电压等特性。并对测试结果进行了分析和讨论。     

非对称自旋-轨道耦合系统的多体量子相干含时演化

本文以具有非对称性自旋相互作用的三体自旋系统为研究对象,重点研究了三体量子相干含时演化规律.采用精确量子对角化和基于量子主方程的数值模拟方法,讨论了三体量子系统中多种量子相干组分及其退相干.研究发现,量子相干组分的含时演化与整个系统的初态量子特性紧密相关.当初态为可分离纯态时,在较短时间内,非对称相互作用有利于增加多体量子相干度.这些量子相干度因受噪声影响而逐渐衰减.当初态为类Werner态时,量子相干度的分布满足加和性,即三体量子相干度等于所有两体量子相干度之和.自旋之间非对称相互作用和环境噪声都会引起三体量子相干度大于所有两体量子相干度之和.这些结论有助于多体量子资源的制备.     

电路量子电动力学中基于超绝热捷径的控制相位门实现

针对绝热算法在系统演化过程中需要较长操作时间的问题,本文提出了电路量子电动力学系统中基于超绝热捷径的两量子比特控制相位门的快速制备方案.首先将量子比特的能级进行编码,针对不同初始态分类讨论,获得系统的有效哈密顿量.通过反绝热驱动,推导出系统有效哈密顿量的修正项,以抑制不同本征态之间不必要的跃迁,从而获得了高保真度的基于超绝热捷径控制相位门.数值模拟验证了本方案的有效性,最终保真度为0.991.所提方案可以加速演化,并且比绝热通道更有效.此外,本方案对谐振器的衰减和超导量子比特的退相干具有鲁棒性.通过对谐振腔的泄漏、量子比特的自发辐射和退相位的影响分析,得到的系统最终保真度始终保持在0.984以上.     

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.     

室温下CdSe胶体量子点超快自旋动力学

利用时间分辨法拉第旋转光谱技术研究了室温下CdSe胶体量子点的自旋相干特性.获得了不同磁场下的自旋退相干时间,并分析了自旋退相干的物理机理.零磁场时量子点激子自旋退相干时间为102 ps,主要受电子与核自旋之间的超精细相互作用所影响.当外加横向磁场强度为250 mT时,激子自旋退相干时间为294 ps;增大磁场强度,自旋退相干时间逐渐减小.在较强磁场环境中(≥250mT),量子点激子自旋动力学由非均匀退相干机制所主导.     

LA声子对激子qubit纯退相干的影响

在一个抛物量子点中,以激子的真空态和基态作为量子比特(qubit),采用求密度矩阵元的方法,计算了由形变势下声学声子引发的激子量子比特纯退相干.找到了激子量子比特纯退相干因子对时间、温度和量子点受限长度的依赖关系.研究发现,激子量子比特的退相干因子在2.5ps的时间范围内随时间的增加而迅速增加,其纯退相干时间在ps量级;在温度即使为绝对温度0K时由LA声子引发的退相干依然存在,在温度大于3K后退相干因子随温度的增大而开始迅速增大;并同时发现量子点受限长度对退相干因子有重要影响,激子越受限退相干越快.研究结果表明,对激子量子比特使用适当大小量子点,且保持环境低温,并采用低能超快光学操作可以有效地抑制声子对激子量子比特纯退相干的影响. 关键词： 量子点 量子信息 量子比特     

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.     

量子相干

量子相干不仅是量子力学中的一个基本概念,同时也是重要的量子信息处理的物理资源.随着基于资源理论框架的量子相干度量方案的提出,量子相干度的量化研究成为近年来人们关注的一个热点问题.量子相干作为一种物理资源也十分脆弱,极容易受到环境噪声的影响而产生退相干,因此开放系统中的量子相干演化和保持也是人们广泛关注的课题.另外,量子相干在量子多体系统、量子热动力学、量子生物学等领域也有着潜在的应用价值.本文介绍量子相干度量的资源理论框架和基于该框架定义的相对熵相干性、l1范数相干性、基于量子纠缠的相干性、基于凸顶结构的相干性和相干鲁棒性等量子相干度量函数,概述开放系统中量子相干演化的动力学行为、典型信道的量子相干产生和破坏能力以及量子相干的冻结等现象,同时例举量子相干在Deutsch-Jozsa算法、Grover算法以及量子多体系统相变问题研究等方面的重要应用.量子相干研究仍处于快速发展之中,期望本综述能为该领域的发展带来启示.     

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.     

双激子和浸润层泄漏以及俄歇俘获对量子点Rabi振荡衰减的影响

研究了脉冲激光激发下半导体量子点激子Rabi振荡中多能级过程引起的退相干特性.运用多能级粒子数运动方程组，分别计算和分析了三种多能级过程(双激子、浸润层泄漏以及俄歇俘获过程)对量子点中Rabi振荡衰减的影响.分析表明，双激子的影响在激发脉冲的脉宽较长时(>5ps)可以忽略；浸润层的泄漏虽然使得激子基态上粒子数振荡的振幅随着激发场的增强而减小，但是同时也导致了振荡平均值的减小；分析和讨论了两种俄歇俘获方式对激子振荡和复合发光的影响. 关键词： Rabi振荡 半导体量子点 退相干 俄歇俘获     

二能级系统自发辐射的动力学抑制

研究了在二能级原子系统中有环境诱导的退相干的控制问题.通过对量子位系统施加适当的扰动可以减少由自发辐射引起的退相干.本文提出了一种新的基于频率位移技术和宇称反演技术的机制.这种机制可由两束均匀经典大失谐光场作用于原子来实现.通过应用这种机制,在存在自发辐射的情况下,可以有效地抑制退相干.     

半导体量子点中浸润层跃迁与纯失相对Rabi振荡退相干的影响

理论上分析了半导体量子点中浸润层跃迁(包括泄漏和俘获两个过程)对Rabi振荡退相干的影响,含浸润层跃迁的粒子数运动方程可以很好地拟合实验结果.同时还对比分析了纯失相(pure dephasing)对Rabi振荡退相干的影响.分析表明,可以用简单的纯失相强度相关衰减因子来等效地分析复杂的多能级跃迁体系的退相干特性.     

退相干条件下两比特纠缠态的量子非局域关联检验

量子纠缠态的量子非局域关联特性在当前量子信息和量子计算协议中起着重要的作用.然而,任何实际的物理系统都不可避免地与周围环境相互作用,使得在量子信道中的传输过程中,量子态会发生相干性退化,进而弱化量子态的量子非局域关联特性.本文利用一种基于Hardy-type佯谬的高概率量子非局域关联检验方案,分别研究了两比特偏振纠缠态在经过振幅阻尼信道(ADC)、相位阻尼信道(PDC)和退极化阻尼信道(DC)后的量子非局域关联检验情况.研究结果表明,DC传输信道对量子态的量子非局域关联检验特性影响较大,而PDC传输信道对量子态的量子非局域关联检验特性影响较小.最后,本文还给出了利用弱测量结合弱测量反转操作克服ADC退相干时,偏振纠缠态成功进行量子非局域关联检验的条件.结果表明,当弱测量的强度增大时,可有效地降低ADC退相干效应对偏振纠缠态成功进行量子非局域关联检验造成的影响.