四分之一超导谐振腔的仿真对比

超导量子电路已成为实现量子计算机的主流技术路线之一,其中四分之一波长超导谐振腔主要用于读取量子比特的状态信息,是实现超导量子电路的关键器件.本文设计了四分之一波长超导谐振腔,利用两种电磁仿真算法(有限元法以及矩量法),对超导谐振腔的传输特性进行建模仿真验证.制备出了设计的超导谐振腔样品,在20±5 mK的低温环境下对其传输特性进行测量.通过仿真结果与设计值和实测值进行对比研究,发现基于矩量法的sonnet软件在仿真准确性、仿真速率以及资源消耗等方面都优于基于有限元法的HFSS软件.同时研究了谐振腔之间的串扰对仿真精度的影响,当谐振腔数目不多时,其相互之间串扰的影响几乎可以忽略.     

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     

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.     

集成滤波器结构的可调超导微波谐振腔

在超导微波谐振腔耦合量子比特的杂化器件中,可利用超导材料动态电感随直流电流变化的特性,调节谐振腔的频率,进而匹配量子比特的频率.为抑制引入直流偏置电极导致的微波信号泄漏,在可调腔中加入滤波器是一种有效的方案.本研究以滤波器为切入点,运用计算机模拟,开发了原有“王”字型滤波器新的工作模式,并在实验上制作了可调超导微波谐振腔.测试结果表明,谐振腔的品质因子可达7800,阻抗约1700欧姆,谐振腔的频率可随直流电流发生明显变化,最大变化量可达26 MHz.     

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.     

三维传输子量子比特制备研究

研究了三维传输子(3D-transmon)量子比特的制备技术。采用电子束光刻技术制备亚微米双层胶悬空掩模,电子束斜蒸发技术制备Al/AlO_x/Al超导隧道结。将隧道结与三维谐振腔耦合,成功实现3D-transmon。在20 mK下测试了量子比特的能级跃迁频率、拉比振荡、能量弛豫时间t_1等性能,t_1约566 ns。t_1较短的原因是量子比特跃迁频率与三维谐振腔频率接近,耦合过紧。     

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.     

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.     

基于超绝热捷径技术快速制备超导三量子比特Greenberger-Horne-Zeilinger态

本文提出了一个基于超绝热捷径技术快速制备超导三量子比特Greenberger-Horne-Zeilinger态的理论方案.该方案首先在量子Zeno动力学的帮助下得到系统的有效哈密顿量,之后通过引入与有效哈密顿量具有相同形式的反向导热哈密顿量来构建绝热捷径,加速了整个系统的演化过程.该方案不需要初态和目标态之间的直接耦合,在实验上也更容易实现.数值模拟结果表明该方案对超导量子比特的自发辐射、波导谐振腔的泄漏以及超导量子比特的退相位是鲁棒的.     

超强耦合电路量子电动力学系统中反旋波效应对量子比特频率移动的影响

从实验上研究了四结磁通量子比特与多模共面波导谐振腔构成的超强耦合电路量子电动力学系统.通过传输谱测量和数值拟合,确定量子比特与腔第一模式的耦合强度已达到0.1倍谐振腔频率,进入了超强耦合区域;通过色散读出方法得到了系统的能谱,并通过增加探测场光子,从能谱上得到了量子比特频率随探测光子的位移.这种位移不仅包含旋波项的贡献,也包含了反旋波项的显著贡献,证实我们所实现的超强耦合系统是一个良好的研究量子拉比模型的实验平台,它在量子技术的诸多方面有潜在的应用,如量子模拟、超快量子逻辑门、纠缠态制备、量子比特保护等.     

关于电路量子电动力学系统中光子自由度的消除方案

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(quantum Electrodynamics, QED)系统, 是目前固态量子信息领域的一个倍受关注的物理系统, 也是研究量子测量和量子控制的理想实验平台. 由于其中涉及的驱动场和超导传输线谐振腔支持的光子频率都在微波区, 在量子测量和量子控制研究中往往遇到 大量光子数引起的状态空间维数过大带来的数值模拟方面的困难. 为了避免这个困难, 往往采取"消除"光子自由度的办法, 建立一个只保留量子比特状态自由度的有效描述方案. 本文通过对单比特的量子测量动力学的数值模拟, 检验了 "绝热消除"和"极化子变换"两种方案的适用条件. 结果表明, 在量子非破坏(quantum non-demolition, QND) 测量情况下, 极化子变换精确适用于 任意驱动强度和任意(光子)泄漏速率微腔; 但在非QND测量情况下, 极化子变换相对通常的绝热消除方案, 并无优势. 在强泄漏微腔和弱耦合情况下, 两种消除光子自由度的方法都可以较好地描述 测量动力学; 但如果微腔光子泄漏速率不是很大或量子比特与微腔耦合较强, 则需要纳入光子自由度做完整模拟, 此时的量子测量属性是一个尚待研究的课题.     

光量子开关

<正>经典信息网络中数据包通过路由器被准确地发送至收信地址。同样,在量子信息网络中,信息在网络节点间的准确传输也需要量子开关(量子路由器)。光子系统是量子通信和量子计算中常用的信息载体,因此光量子开关需要在不破坏光子所携带信息的情况下控制光子的传输路径。最近,以色列雷霍沃特的魏茨曼科学研究所Barak Dayan小组的一项研究有望解决这一问题。他们设计了一个光量子开关,实验原理如图1所示。通过控制耦合于微球光学谐振腔的铷原子量子     

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.     

含有YBaCuO超导体微波腔的品质因素测量

将薄块状 YBaCuo 超导样品放入三公分波段矩形谐振腔中,测得了样品处在正常态及超导态时谐振腔的有载品质因素 Q_L,并观察到在样品的超导转变温度处 Q_L 值有明显的变化.     

谐振腔提高横向光电效应的量子效率

根据位置敏感探测器的原理,设计了p-i-n型的谐振腔结构,研究谐振腔提高横向光电效应的量子效率。以一维缺陷光子晶体作为顶部光学镜,底部为分布式Bragg反射镜(DBR),中间为激活介质谐振腔。利用传输矩阵法计算了一维缺陷光子晶体的透射特性。由于顶部和底部结构的高反作用,一维缺陷光子晶体的透射谐振导模将被有效地限制在激活介质中。通过对谐振腔模型的分析,得出了激活介质的量子效率,并进行了数值仿真。结果表明,一维缺陷光子晶体的谐振导模能有效提高谐振腔中激活介质的量子转换效率。     

重费米子材料与物理

作为典型的强关联电子体系,重费米子材料表现出丰富的量子基态,如反铁磁序、铁磁序、非常规超导、非费米液体、自旋液体、轨道序和拓扑态等.相比其他强关联电子体系,重费米子体系的特征能量尺度低,可以通过压力、磁场或掺杂等参量对不同量子态进行连续调控,因而是研究量子相变、超导及其相互作用的理想体系.本文简要介绍重费米子研究的发展历史和国内外研究现状,概述几类典型的重费米子材料,并简单阐述重费米子超导、量子相变和强关联拓扑态等前沿科学问题.     

重费米子超导与竞争序

与其他非常规超导系列相比, 重费米子超导体往往具有丰富多样的竞争序, 超导与各种竞争序相伴而生, 电子配对与反铁磁涨落、铁磁涨落、价态涨落、电四极矩涨落等量子临界涨落密切相关, 扩充了非常规超导的研究内容. 重费米子材料中的f电子往往同时参与超导与各种竞争序的形成, 表现出局域与巡游的二重性. 重费米子二流体理论为理解重费米子超导与竞争序的关系提供了新的思路.     

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.     

基于金刚石氮-空位色心自旋系综与超导量子电路混合系统的量子节点纠缠

量子纠缠是实现量子计算和量子通信的核心基础,本文提出了在金刚石氮-空位色心(NV centers)自旋系综与超导量子电路耦合的混合系统中实现两个分离量子节点之间纠缠的理论方案.在该混合系统中,把金刚石NV centers自旋系综和与之耦合的超导共面谐振器视为一个量子节点,两个量子节点之间通过一个空的超导共面谐振器连接.具有较长相干时间的NV centers自旋系综作为一个量子存储器,用于制备、存储和发送量子信息;易于外部操控的超导量子电路可执行量子逻辑门操作,快速调控量子信息.为了实现两个分离量子节点之间的纠缠,首先对系统的哈密顿量进行正则变换,将其等价为两个NV centers自旋系综与同一个超导共面谐振器之间的JC耦合;然后采用NV centers自旋-光子混合比特编码的方式,通过调节超导共面谐振器的谐振频率,精确控制体系演化时间,高保真度地实现了两个分离量子节点之间的量子纠缠.本方案还可以进一步扩展和集成,用于构建多节点纠缠的分布式量子网络.     

超导磁通量子比特的性能表征

采用超导电路实现的量子计算近十几年来发展迅速,目前已经实现了质因数15的分解、高保真度的单和双量子比特等等。为实现量子计算,采用正交剥离自对准工艺,制备了射频超导量子干涉器件(rf-SQUID)结构的超导磁通量子比特芯片。在稀释制冷机mK温度下,对其基本结构参数进行了表征,并通过理论分析、软件仿真验证了测试结果。此外,还分析了测试系统的噪声性能,对可能的噪声源进行了消除。最后,通过量子比特初态的制备,观测到了双势阱能级间的共振隧穿现象。