基于超导器件的量子信息处理和量子模拟研究

发布时间：2018-06-24 12:38

本文选题：量子信息处理 + 量子模拟　；参考：《中国科学技术大学》2012年博士论文

【摘要】：自从1994年Peter Shor提出第一个实用的量子算法以来,量子计算机以其超越经典计算机的强大的计算能力在近二十年得到了研究者们的广泛关注。尽管量子计算机具有如此震撼的计算能力,但是对用于建成量子计算机的系统,其技术手段上的要求也是十分苛刻的。它需要能对系统进行单格点的寻址及高精度单量子比特与双量子比特操作；系统要有长的相干时间,能在相干时间内进行足够多的量子操作；同时,为了达到实用性的目的,该系统还要具有良好的集成性。量子模拟,由于其技术要求远远低于大规模量子计算,从而有可能在建成真正意义的量子计算机之前就获得很好的应用。本文主要研究了基于超导设备的量子信息处理及量子模拟,主要内容有： 1.简要的介绍了量子计算中的一些基本概念,如量子比特,普适量子门等；量子模拟的基本概念及用于量子模拟的各类系统；超导设备：约瑟夫森结系统的基本性质,系统Hamiltonian的推导以及基于它的电荷、相位量子比特；超导传输线腔系统的量子化过程,及其与约瑟夫森结量子比特系统的耦合的Hamiltonian的推导。 2.在传统的超导系统量子计算的方案中,一般以约瑟夫森结系统作为量子比特,而超导传输线腔的作用只是类似于光学腔,用于量子比特的操控或测量。超导约瑟夫森结系统由于其所处的复杂的外界环境,它并不具有较长的相干时间,这使得该系统不能用于大规模量子计算。超导传输线腔系统则处于相对干净的环境,传输线腔中的微波光子具有较长的相干寿命。在这里,我们提出以超导传输线腔中的光子为量子比特,得益于其微波光子的高寿命,量子比特具有较长的相干时间。通过适当的设计约瑟夫森结电路,我们实现了微波光子的相互转移,从而得到了高精度的单量子比特门。光子量子比特的最主要的劣势在于很难让其发生相互作用,而相互作用正是实现两量子比特门的核心。幸运的是,在我们的系统中可以利用约瑟夫森结系统的内禀非线性来实现光子间较强的相互作用,两量子比特门得以高精度的实现。在实现量子门的过程中,约瑟夫森结系统一直处于虚激发的状态,其快速的退相干速率对量子门保真度的影响得到了很好的抑制。我们的超导传输线腔系统和约瑟夫森结系统通过微机械加工技术,可以制作在一块超导芯片上,经过适当的扩展,多个量子比特可以集成到同一块芯片上。原则上来说,我们提出了一个在超导芯片上实现大规模集成量子计算的方案,并论述了该方案在现实条件下的可行性。 3.在量子信息处理领域中,Rabi模型为应用范围最广的一个。Rabi模型描述了单模光场和量子比特间相互作用的Hamiltonian,采用旋波近似后,可以用于实现量子比特和光场间量子态的相互转换。在得到Rabi模型的过程中,由于传统系统很弱的光场-量子比特相互作用,光场矢势的平方项被舍掉。在超导量子比特与传输线腔中光子的相互作用中,我们发现光场矢势的平方项的系数可以较大,不能被忽略。我们详细考虑了平方项对于各类量子信息处理过程的影响,如量子态转换,量子比特-光场纠缠态制备,及量子态的崩塌-复原动力学过程。平方项的存在会严重影响上述量子过程,使得原先的方案发生严重的错误或带来新的奇特的现象,如量子态的崩塌-复原动力学过程中会出现双峰。我们可以通过实验来验证这些平方项带来的效应。 4.我们研究了大电容耦合的约瑟夫森结链系统在量子模拟中的应用。我们精确求解出该系统的Hamiltonian,并发现它具有可观的非近邻相互作用,从而可以用于阻挫量子效应的模拟。由于系统的Hamiltonian的形式与我们要模拟的理想阻挫模型(ANNNI模型)有所差别,我们采取动力学退耦合技术对于系统的Hamiltonian进行了裁剪。我们利用TEBD的算法计算了ANNNI模型的相图,并发现了其特有的floating phase相存在的迹象。对于实验可能达到的小规模约瑟夫森结链系统,我们显示了六格点的约瑟夫森结链系统就可以展现出ANNNI模型的一些重要特性,并模拟了其量子相变过程。
[Abstract]:Since Peter Shor proposed the first practical quantum algorithm in 1994 , quantum computers have been widely concerned by researchers in recent 20 years . Although quantum computers have such shock computing power , the requirements of quantum computers are also very demanding .
the system has long coherence time and can carry out enough quantum operation in the coherent time ;
At the same time , in order to achieve the purpose of practicability , the system also has good integration . Quantum simulation , because its technical requirements are much lower than that of large - scale quantum computing , it is possible to obtain a good application before the real quantum computer is built .

In this paper , quantum information processing and quantum simulation based on superconducting equipment are studied . The main contents are as follows :

1 . Some basic concepts in quantum computing are briefly introduced , such as quantum bit , proper quantity of sub - gate , etc .
The basic concept of quantum simulation and various systems used in quantum simulation ;
Superconductor equipment : the basic properties of Josephine junction system , the derivation of system Hamiltonian , and its charge and phase quantum bit ;
The quantization process of the superconducting transmission line cavity system and the derivation of the Hamiltonian of the coupling of the junction quantum bit system .

2 . In the traditional quantum computation scheme of the superconducting system , the junction system of the superconducting transmission line is generally used as the quantum bit , and the effect of the superconducting transmission line cavity is similar to that of the optical cavity , so that the system can not be used for large - scale quantum computation . The main disadvantage of the superconducting transmission line cavity system is that the photon in the superconducting transmission line cavity is in a relatively clean environment , and the quantum bit has long coherence time .

In the field of quantum information processing , the Rabi model is one of the most widely applied fields . The Rabi model describes the Hamiltonian of the interaction between a single - mode optical field and a quantum bit .

4 . We have studied the application of a large - capacitance coupling system in quantum simulation . We find out the Hamiltonian of the system accurately , and find out that it has considerable non - neighbor interaction , which can be used to simulate the quantum effect . We use the TEBD algorithm to calculate the Hamiltonian of the system .
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O431.2;TP3

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