超导量子比特、机械振子的设计与制备

发布时间：2020-06-15 17:32

【摘要】：超导量子比特是固态电路,具有易集成且电路参数可以通过几何结构调节等独特优势,已成为最具可能实现量子计算的物理实现之一。近年来,超导量子比特发展非常之快,不管是能量弛豫时间T1还是量子比特个数都得到了极大的提高。谷歌,IBM等研究组的比特个数已达到了几十个的量级,退相干时间也达到了 100微秒量级。相对于国外而言,国内超导量子比特的研究起步比较晚,也和国际顶尖小组有着较大的差距。在超导量子比特的研究中,样品的制备是基本,也是最重要和最为困难的一个环节。因此,本文选择超导量子比特的设计、制备工艺作为主要研究内容,系统地研究了超导量子比特的制备工艺参数。并且,鉴于很多量子计算的实现架构都要求量子比特与其他系统进行耦合,而将超导量子比特与微纳米机械振子的耦合有望实现超导量子比特、微波、光和机械振子的耦合系统信息处理,因此,本文在研究超导量子比特微加工制备的同时,还初步设计、制备和研究了基于真空平行平板电容(Vacuum-Gap-Capacitor.VGC)的平面薄膜振子和两端固定的线机械振子。主要研究成果包括以下几个方面:1、对Transmon结构中的各个参数进行了理论分析,结合实验测量系统,设计了平面Transmon和三维腔Transmon,进一步,设计了基于真空缝隙电容(VGC)结构、两端固定悬臂结构的机械振子,以及机械振子和Transmon相互耦合的系统。2、成功制备了三维腔Transmon、平面Transmon、基于VGC的机械振子样品,以及机械振子和Transmon相互耦合的样品。对制备约瑟夫森隧道结的工艺方案进行了系统的研究;对不同基底的工艺参数做了详细的摸索和优化;对VGC样品的制备方案和参数进行了优化。3、对器件的基本参数进行了测量表征。其中,平面结构Transmon的能量弛豫时间T1接近20微秒,已达到国内先进水平,已经能够满足对一些量子现象进行研究,为后续实现复杂的量子算法研究奠定了坚实的基础。在VGC结构的机械振子样品中,成功观测到了薄膜振动引起的边带频谱,并对薄膜机械振子随输入微波功率、光功率变化的响应进行了系统表征,为超导量子比特、机械振子、微波和光构成的光电机械系统的研究提供了依据。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O413;TP38
【图文】：

量子信息处理,阶段,超导量子,量子比特

１．２超导量子比特国内外研究现状逦３逡逑非线性光子晶体（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ邋ｐｈｏｔｏｎｉｃ）［１８］和中性原子（ｎｅｕｔｒａｌ邋ａｔｏｍ）［１９］量子比特逡逑等。第二阶段，可以执行小的量子算法。第三阶段通过量子非破坏读出来校逡逑正一些误差。还可以通过反馈来将量子位稳定在任意状态［２０－２５］。这－阶段逡逑首先在离子阱量子比特中达到［２６］，紧接着Ｒｙｄｂｅｒｇ原子［２０］和超导量子比特逡逑［２７－２９］也达到这个阶段。第四阶段是通过量子纠错（ＱＥＣ）来实现比任何一个逡逑物理比特都长的退相干时间，由此组成逻辑存储器。后面主要是进行逻辑比特逡逑的操控和算法实现。逡逑Ｉ逦￣＼逡逑

曲线,电阻,曲线,子电路

图２－２：邋Ｏｎｎｅｓ观察到的Ｈｇ的电阻随温度变化的曲线［５８］。逡逑，远远大于原子的半径。这样，使得Ｃｏｏｐｅｒ的波函数在空间，从而具有相同的状态。在超导态的情况下，要拆散一对ｃｏｐｐｅｒＡ的能量，大于２Ａ才能形成连续谱，所以才有２Ａ的能隙。对，对Ｃｏｏｐｅｒ不起作用。逡逑量子电路而言，为了维持量子相干性，第一要求就是在工作的内所有的金属都没有损耗。所以用超导体作为设汁１子电路的的优势。在应用超导体设计量子电路时，疗先耍满足三个原则：逡逑）在工作温度时，热涨落能量必须满足：（／／＇＜＜Ａ．ｓ为玻为普朗克常数。一般f堊拥缏返哪芟对冢保板澹澹玻担板宸敦瓨，对应２？５０邋Ｇ／／ｚ。因此，环境温度大约在或者低于２０逦而丨１要出量子电路信息的导线电磁温度也必须小于／，ｖ。逡逑宏观自由度与环境必须很好地解耦，以便量了－态的寿命长于电路

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