超导量子比特与绝热快速捷径在量子模拟和量子门中的应用
发布时间：2021-01-26 22:33
超导量子计算是目前有望实现量子计算机的主流方案之一。本人从2013年博士入学起开始学习超导量子比特的相关实验技术和理论原理。在整个博士阶段,本人主要研究了超导相位量子比特和Xmon的实验测控及芯片设计。超导相位量子比特和Xmon有着相似的电路结构和测控手段,Xmon具备更长的相干时间。目前,在超导量子计算中,Xmon和其相似结构的超导量子比特运用最为广泛。因此,本文着重介绍了 Xmon的相关理论知识和实验调控。本文的主要内容包括:（1）绪论部分介绍了量子计算的发展历史和量子计算中常用的一些量子力学基础知识。这些基础知识主要包括:单比特的量子态和密度矩阵,量子纠缠,单比特量子门和双比特门、量子测量和量子比特退相干。（2）在第二章我们介绍了超导量子计算的电路模型。对一般的谐振电路进行电路量子化,可以得到均匀的量子化能级。把约瑟夫森结引入到这样的谐振电路,我们得到了非均匀的谐振子能级,最低的两个特定能级被编码为量子比特。（3）随后,根据相关的理论,我们介绍了如何设计出所需参数的超导量子计算芯片。我们说明了相关参数设计的理论知识和模拟方法,还给出了设计比特参数时如何兼顾后续测量和量子比特退相干...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２量子门的量子线路示意图
Ｊ?＼７ｍ＾?Ｊ??ｌｉ＞??图１．３?（ａ）初态在丨１＞的能量弛豫过程。（ｂ）初态在（｜０＞?＋?｜１＞）Ｗ的能量弛豫过程??备可控的量子比特，体系可扩展。这里的体系可扩展需要从两个方面来说明，一是可扩展??到能够实现实用量子算法的多量子比特体系；二是随着体系的扩展，不需要指数地增加控??制资源。第二：体系可以初始化到一个简单的初态，例如｜０００．．．０００＞。在实际物理体系中，??这一条要求尽可能制备一个完美的初始态来用于后续的量子计算。第三：相干时间远大于??量子门操作时间。一般来说，量子体系总是与环境有耦合，这种非理想的耦合会导致量子??比特失去量子相干性。为了在体系演化过程中保持量子相干性，我们需要不断进行量子纠??错（ｑｕａｎｔｕｍ?ｅｒｒｏｒ?ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）过程［３８，４Ｑ，５６］。筒单来说，量子纠错过程是通过对量子比特进行??－合适的编码，通过对编码比特的操控或测量来探测是否发生量子相干性丟失。随后
．、＊??觀??图１．４?（ａ）Ｉｎｔｅｌ的４９量子比特芯片封装。（ｂ）Ｇｏｏｇｌｅ的７２量子比特芯片’?Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ?‘。（ｃ）ＩＢＭ的??５０量子比特原型机。??等为超导量子计算深度定制了一整套徼波测量系统的解决方案。??超导量子计算在国内外均发展迅速，为了证明量子计算机的优越性，＇量子霸权’（ｑｕａｎ？??ｔｕｍ?ｓｕｐｒｅｍａｃｙ）?这个概?念被提?及［３６］?。所谓?ｑｕａｎｔｕｍ?ｓｕｐｒｅｍａｃｙ，?指的是量子计?算机在解决某??些问题上比其他经典的超级计算机具备明显的优越性。一般认为，在超过４９个量子比特的??芯片上进行的?Ｓａｍｐｌｉｎｇ?ｔｌｉｅ?ｏｕｔｐｕｔ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ｒａｎｄｏｍ?ｑｕａｎｔｕｍ?ｃｉｒｃｕｉｔｓ?在经典超级计算机??上难以实现。大多数研究超导量子计算的公司或实验组都倾向于制造具备更多比特数的超??导量子计算机。在２０１８年Ｉｎｔｅｌ、ＩＢＭ和Ｇｏｏｇｌｅ先后发布了自己的超导量子计算原型机。??Ｉｎｔｅｌ在２０１８年１月宣布设计并制造了具备４９个量子比特的量子计算机芯片，取名‘Ｔａｎｇｌｅ??Ｌａｋｅ’。２０１８年２月，ＩＢＭ首次展示了有相似性能的５０个量子比特的量子计算机原型机。??２０１８年３月，Ｇｏｏｇｌｅ宣布正在测试设计的７２量子比特芯片‘Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ’。??在国内，中科院和阿里巴巴开发了?１１个超导量子比特的量子云平台。由中科院量子信??息实验室博士团队创立的本源量子计算公司发布了半导体和超导量子比特的计算云平台
【参考文献】：
期刊论文
[1]64-qubit quantum circuit simulation[J]. Zhao-Yun Chen,Qi Zhou,Cheng Xue,Xia Yang,Guang-Can Guo,Guo-Ping Guo. Science Bulletin. 2018(15)
[2]Simulating a topological transition in a superconducting phase qubit by fast adiabatic trajectories[J]. Tenghui Wang,Zhenxing Zhang,Liang Xiang,Zhihao Gong,Jianlan Wu,Yi Yin. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(04)
本文编号：3001925
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２量子门的量子线路示意图
Ｊ?＼７ｍ＾?Ｊ??ｌｉ＞??图１．３?（ａ）初态在丨１＞的能量弛豫过程。（ｂ）初态在（｜０＞?＋?｜１＞）Ｗ的能量弛豫过程??备可控的量子比特，体系可扩展。这里的体系可扩展需要从两个方面来说明，一是可扩展??到能够实现实用量子算法的多量子比特体系；二是随着体系的扩展，不需要指数地增加控??制资源。第二：体系可以初始化到一个简单的初态，例如｜０００．．．０００＞。在实际物理体系中，??这一条要求尽可能制备一个完美的初始态来用于后续的量子计算。第三：相干时间远大于??量子门操作时间。一般来说，量子体系总是与环境有耦合，这种非理想的耦合会导致量子??比特失去量子相干性。为了在体系演化过程中保持量子相干性，我们需要不断进行量子纠??错（ｑｕａｎｔｕｍ?ｅｒｒｏｒ?ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）过程［３８，４Ｑ，５６］。筒单来说，量子纠错过程是通过对量子比特进行??－合适的编码，通过对编码比特的操控或测量来探测是否发生量子相干性丟失。随后
．、＊??觀??图１．４?（ａ）Ｉｎｔｅｌ的４９量子比特芯片封装。（ｂ）Ｇｏｏｇｌｅ的７２量子比特芯片’?Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ?‘。（ｃ）ＩＢＭ的??５０量子比特原型机。??等为超导量子计算深度定制了一整套徼波测量系统的解决方案。??超导量子计算在国内外均发展迅速，为了证明量子计算机的优越性，＇量子霸权’（ｑｕａｎ？??ｔｕｍ?ｓｕｐｒｅｍａｃｙ）?这个概?念被提?及［３６］?。所谓?ｑｕａｎｔｕｍ?ｓｕｐｒｅｍａｃｙ，?指的是量子计?算机在解决某??些问题上比其他经典的超级计算机具备明显的优越性。一般认为，在超过４９个量子比特的??芯片上进行的?Ｓａｍｐｌｉｎｇ?ｔｌｉｅ?ｏｕｔｐｕｔ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ｒａｎｄｏｍ?ｑｕａｎｔｕｍ?ｃｉｒｃｕｉｔｓ?在经典超级计算机??上难以实现。大多数研究超导量子计算的公司或实验组都倾向于制造具备更多比特数的超??导量子计算机。在２０１８年Ｉｎｔｅｌ、ＩＢＭ和Ｇｏｏｇｌｅ先后发布了自己的超导量子计算原型机。??Ｉｎｔｅｌ在２０１８年１月宣布设计并制造了具备４９个量子比特的量子计算机芯片，取名‘Ｔａｎｇｌｅ??Ｌａｋｅ’。２０１８年２月，ＩＢＭ首次展示了有相似性能的５０个量子比特的量子计算机原型机。??２０１８年３月，Ｇｏｏｇｌｅ宣布正在测试设计的７２量子比特芯片‘Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ’。??在国内，中科院和阿里巴巴开发了?１１个超导量子比特的量子云平台。由中科院量子信??息实验室博士团队创立的本源量子计算公司发布了半导体和超导量子比特的计算云平台
【参考文献】：
期刊论文
[1]64-qubit quantum circuit simulation[J]. Zhao-Yun Chen,Qi Zhou,Cheng Xue,Xia Yang,Guang-Can Guo,Guo-Ping Guo. Science Bulletin. 2018(15)
[2]Simulating a topological transition in a superconducting phase qubit by fast adiabatic trajectories[J]. Tenghui Wang,Zhenxing Zhang,Liang Xiang,Zhihao Gong,Jianlan Wu,Yi Yin. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(04)
本文编号：3001925
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