基于约瑟夫结超导量子器件的量子现象研究

发布时间：2019-09-04 17:47

【摘要】：本文是对我这几年在超导量子比特工作的一个汇报。特别是对其中超导磁通量子比特的宏观量子现象的精密测量以及数据理论分析。文章分为四个章节：一、何为约瑟夫森结超导量子器件,进行这项研究的意义何在；二、如何在具体操作中实现对超导量子比特的精密测量,实验器材、流程、测量电路设计、测量环境降噪等的相关介绍；三、对超导磁通量子比特的具体研究,1：宏观共振隧穿现象,2：对其低频磁通噪声的测量分析,第四章介绍由Landau-Zener效应引发的量子干涉现象。首先介绍量子计算的发展概况,从量子计算的起源,基本原理,诱人前景开始谈起,并着重介绍了超导量子比特的基本器件约瑟夫森结的物理原理,最后介绍了三种常见的超导量子比特——相位量子比特,电荷量子比特,磁通量子比特的结构,原理,以及这三种量子比特的测量和操控的实现。其次,在改进测量系统,降低噪音方面,提高测量精度方面,我们先后进行了多项实验研究,改进参数测定方式,改良屏蔽罩,设计制作直流电源供电的低噪声放大器,4.2K测量杆平台作为一个简易平台,仍有发挥余地,测量相位量子比特样品很方便。在这个平台上我们进行了约瑟夫森相位扩散试验,用多重俘获的模型对Kramers公式做了修正。在对超导磁通量子比特的研究中,我着重研究了宏观共振隧穿现象,进行了多种不同参数不同样品的测量,观测到了非常清晰有说服力的共振隧穿现象,并且从数据分析里发现了磁通劈裂。这既是对我们测量系统精度的一个肯定,也对磁通量子比特在量子计算里的应用前景研究工作有一定的意义。同时,我还对磁通噪音这一原理较复杂的现象进行测定,从粒子在双势阱的分布率和磁通的关系曲线中,分析得到了低频磁通噪声强度SΦ(1Hz)。进一步我们测量了在不同温度下的SΦ(1Hz),结果表明在49.4mK到400mK温度区间,SΦ(1Hz)随温度呈平方关系增长。研究其与温度变化的关系。这些对以后小组的实验都有参考和应用价值。另外,我们还观测到了超导磁通量子比特中研究中由Landau-Zener跃迁引起的量子干涉效应。既有单免交叉点的Landau-Zener跃迁造成的粒子分布概率翻转现象,也有两个相邻免交叉点间的Landau-Zener跃迁。我们对这两种模型都进行了精确的理论拟合,与实验数据吻合很好。这对超导量子比特作为宏观量子系统,其多比特的纠缠在量子力学的基础研究方面也有着极其重要的意义。以上有关超导量子比特的研究都是在两种测量电路：带通电路和低通电路的轮换使用中完成。我们设计的低通测量电路,具有低噪音,精确度等特点,可以精确测定约瑟夫森结的跳变电流分布,为后续更复杂的实验打好基础。而我们的带通测量电路,除了低噪音,高精度以外,还有着很好的协同性和多信号操控性能,可以实现较为复杂的量子比特测量,为以后实现多个量子比特的耦合操控等实验打下了良好的基础。希望本文作为一个综合性的阐述文,能使读者对量子计算,超导量子比特的原理以及测量操控过程有大体的认知,也对我这几年的工作有所了解。最后,希望在本实验室工作的后来者能从此文里得到一些实验相关经验,更快的上手,更好得研究。以上,是我对此文的期望。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O413;TP38

【参考文献】