超导量子比特与绝热捷径中几何相位及功的研究
发布时间：2020-05-02 19:41
【摘要】：超导量子计算是最有希望实现量子计算机的方案之一。近些年来,在理论以及实验方面,超导量子器件发展迅速。目前超导量子计算正在向更高质量、更多比特数目的方向发展。本人自博士入学以来,开始学习超导量子比特的理论以及实验技术,并搭建了超导量子比特的实验软硬件平台。在博士期间,本人主要研究超导相位量子和transmon型量子比特的实验测控以及芯片设计。由于良好的相干性能,transmon型量子比特得到了广泛的使用。本文主要包括了以下内容:1.简要介绍了量子计算的发展历史以及量子算法。对于量子计算中的基本概念以及实现量子计算的物理平台进行简单介绍。着重介绍了超导量子计算的发展历史、国内外发展水平以及今后的发展方向与趋势。2.介绍了超导量子计算的基本理论,简单说明了电路量子化的过程。介绍了 circuitQED的基本理论,尤其是处于色散区域时的行为。针对transmon型量子比特,分析了其能级结构、驱动方法、读取方式与耦合形式。特别地,我们分析了 transmon的量子相干性与电路参数、结构的关系。最后简要说明了超导量子计算的基本芯片设计。3.从低温硬件、常温硬件与计算机软件三个方面对超导量子计算实验平台进行说明。低温硬件方面,包括了稀释制冷机的原理介绍以及低温线路的配置。结合影响transmon相干性的因素以及调控读取方法,我们对低温线路进行详细分析,并给出实际的线路配置。基于transmon的调控需求以及技术手段,我们搭建了常温硬件设备。在软件层面,我们基于LabRAD系统,构建了可扩展的量子比特调控软件平台。4.介绍了 xmon型量子比特的基本参数标定以及调控方法。这些参数包括了读取腔的频率、Q值,比特的频率,相干性参数,以及量子比特与谐振腔耦合的基本参数等。同时介绍了对量子比特进行精确校准的原理与方法。5.在超导相位量子比特中,利用绝热捷径的方法对贝里相位进行测量,同时通过量子层析测量验证了量子态在绝热捷径方案中的演化轨迹。同时,我们在实验和理论上说明了贝里相位在两个方向的噪声下的行为以及其抗噪能力。6.以xmon型超导量子比特为实验平台,针对绝热捷径的量子功的统计行为进行测量与研究。实验上验证了针对绝热捷径的量子功的理论结论:绝热捷径的平均量子功与对应的绝热情况相同,量子功的涨落与量子几何张量存在等式关系。本文的创新点有:1.基于超导量子比特的相干性分析以及调控需求,设计并搭建了超导量子比特的实验测控软硬件平台。2.以超导相位量子比特为实验平台,首次利用绝热捷径对贝里相位进行测量与研究,理论和实验上分析了贝里相位在噪声场中行为。3.在xmon中针对绝热捷径的量子功的统计行为进行测量与研究,并在实验上验证了这部分理论的理论结论。
【图文】：
量子计算机芯片“Ｔａｎｇｌｅ邋Ｌａｋｅ”。同年２月，ＩＢＭ展示了邋５０个量子比特的超导量子计算机原逡逑型机，而在３月份，Ｇｏｏｇｌｅ宣布正在测试７２量子比特的超导量子计算机“Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ”，如逡逑图１．４。随着量子比特数目的增加，在单层芯片上进行比特的设计以及控制线的走线将会更逡逑加困难，同时多个信号之间的串扰问题也将影响比特性能。因此，研究人员也同时在发展超逡逑导量子比特的三维芯片封装技术。参考目前成熟的半导体工艺，利用深硅穿孔（ＴＳＶ）ｆ８６，８＇逡逑倒装焊（Ｆｌｉｐ邋Ｃｈｉｐ）［８８］等多种技术［８９，９Ｑ］进行芯片之间的互联。逡逑国内超导量子计算的研究起步相对较晚，但是发展相对较快。２０１７年，浙江大学的王逡逑浩华团队与中科大的朱晓波团队首次在超导量子芯片中实现了邋１０量子比特的纠缠，打破了逡逑当时的记录［４９］；近乎同时，该团队在超导体系中演示了求解线性方程组的ＨＨＬ算法而逡逑在２０１８年，清华大学的孙麓岩团队在超导谐振腔中完成了对量子比特的纠错实验，纠错后逡逑的量子比特的相干时间是参与比特的２．８倍［９１］。逡逑根据文献［９２］
１绪论逡逑ｉ－＾ｒｎ逡逑图１．４目前国际上的量子计算机。（ａ）Ｇｏｏｇｌｅ在２０１８年３月宣布正在测试的７２比特的超导量子计逡逑算机“Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ”。（ｂ）Ｉｎｔｅｌ宣布的４９量子比特的芯片。（ｃ）浙江大学王浩华团队研制的１０逡逑比特超导量子芯片（ｄ）邋ＩＢＭ发布的５０比特超导量子计算机原型机逡逑的公司或是研究机构都倾向于制备比特数更多的超导量子芯片。２０１８年，Ｉｎｔｅｌ，ＩＢＭ，Ｇｏｏｇｌｅ逡逑先后发布了自己的超导量子计算机。２０１８年１月，Ｉｎｔｅｌ宣布设计并制备了邋４９量子比特的逡逑量子计算机芯片“Ｔａｎｇｌｅ邋Ｌａｋｅ”。同年２月，ＩＢＭ展示了邋５０个量子比特的超导量子计算机原逡逑型机，而在３月份，Ｇｏｏｇｌｅ宣布正在测试７２量子比特的超导量子计算机“Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ”，如逡逑图１．４。随着量子比特数目的增加，，在单层芯片上进行比特的设计以及控制线的走线将会更逡逑加困难，同时多个信号之间的串扰问题也将影响比特性能。因此，研究人员也同时在发展超逡逑导量子比特的三维芯片封装技术。参考目前成熟的半导体工艺，利用深硅穿孔（ＴＳＶ）ｆ８６，８＇逡逑倒装焊（Ｆｌｉｐ邋Ｃｈｉｐ）［８８］等多种技术［８９
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP38
本文编号：2647425
【图文】：
量子计算机芯片“Ｔａｎｇｌｅ邋Ｌａｋｅ”。同年２月，ＩＢＭ展示了邋５０个量子比特的超导量子计算机原逡逑型机，而在３月份，Ｇｏｏｇｌｅ宣布正在测试７２量子比特的超导量子计算机“Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ”，如逡逑图１．４。随着量子比特数目的增加，在单层芯片上进行比特的设计以及控制线的走线将会更逡逑加困难，同时多个信号之间的串扰问题也将影响比特性能。因此，研究人员也同时在发展超逡逑导量子比特的三维芯片封装技术。参考目前成熟的半导体工艺，利用深硅穿孔（ＴＳＶ）ｆ８６，８＇逡逑倒装焊（Ｆｌｉｐ邋Ｃｈｉｐ）［８８］等多种技术［８９，９Ｑ］进行芯片之间的互联。逡逑国内超导量子计算的研究起步相对较晚，但是发展相对较快。２０１７年，浙江大学的王逡逑浩华团队与中科大的朱晓波团队首次在超导量子芯片中实现了邋１０量子比特的纠缠，打破了逡逑当时的记录［４９］；近乎同时，该团队在超导体系中演示了求解线性方程组的ＨＨＬ算法而逡逑在２０１８年，清华大学的孙麓岩团队在超导谐振腔中完成了对量子比特的纠错实验，纠错后逡逑的量子比特的相干时间是参与比特的２．８倍［９１］。逡逑根据文献［９２］
１绪论逡逑ｉ－＾ｒｎ逡逑图１．４目前国际上的量子计算机。（ａ）Ｇｏｏｇｌｅ在２０１８年３月宣布正在测试的７２比特的超导量子计逡逑算机“Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ”。（ｂ）Ｉｎｔｅｌ宣布的４９量子比特的芯片。（ｃ）浙江大学王浩华团队研制的１０逡逑比特超导量子芯片（ｄ）邋ＩＢＭ发布的５０比特超导量子计算机原型机逡逑的公司或是研究机构都倾向于制备比特数更多的超导量子芯片。２０１８年，Ｉｎｔｅｌ，ＩＢＭ，Ｇｏｏｇｌｅ逡逑先后发布了自己的超导量子计算机。２０１８年１月，Ｉｎｔｅｌ宣布设计并制备了邋４９量子比特的逡逑量子计算机芯片“Ｔａｎｇｌｅ邋Ｌａｋｅ”。同年２月，ＩＢＭ展示了邋５０个量子比特的超导量子计算机原逡逑型机，而在３月份，Ｇｏｏｇｌｅ宣布正在测试７２量子比特的超导量子计算机“Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ”，如逡逑图１．４。随着量子比特数目的增加，，在单层芯片上进行比特的设计以及控制线的走线将会更逡逑加困难，同时多个信号之间的串扰问题也将影响比特性能。因此，研究人员也同时在发展超逡逑导量子比特的三维芯片封装技术。参考目前成熟的半导体工艺，利用深硅穿孔（ＴＳＶ）ｆ８６，８＇逡逑倒装焊（Ｆｌｉｐ邋Ｃｈｉｐ）［８８］等多种技术［８９
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP38
本文编号：2647425
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jisuanjikexuelunwen/2647425.html
