基于超导比特的量子调控和量子模拟

发布时间：2020-04-28 01:12

【摘要】：量子计算是一种建立在量子力学基础上的新型计算方式。借助于量子态的叠加和纠缠等特性,在解决某些问题时,量子计算机具有相对经典计算机的指数级加速效应。不过,它在物理上的实现一直是一个巨大挑战。过去几年来,基于超导电路的量子计算研究取得了很大的进步,其良好的可扩展性和易操控的优势吸引了众多科研机构以及科技公司的研究兴趣。在这种国际竞争的态势下,未来几年内,超导量子计算雏形机有可能集成50个以上可同步调控的量子比特,并有可能在量子模拟和优化等有巨大实用价值的问题上超越经典计算机。本论文以基于超导量子比特的高精度实验测控为核心,详细介绍了个人在博士期间完成的几项工作。论文的前三章回顾了量子计算以及超导量子比特的基本知识。第四、五章是论文的主体部分。我们先后发展了超导相位比特和Xmon比特的测控技术。由于相位比特退相干时间相对较短,不利于大规模长时序的量子门叠加,我们提出了结合量子反坍缩和动力学解耦的方案,能同时抑制比特的相位退相干和能量驰豫效应。进一步,我们还研究了不同超导比特中环境噪音的关联性质,提出并验证了通过量子态传输来抑制比特相位退相干的方案。而在相干性很好的Xmon比特调控方面,我们向多比特集成的方向迈进了一大步。利用一个全连通的量子芯片,我们成功制备并利用大规模的量子态层析技术完整标定了 10比特的Greenberger-Horne-Zeilinger态,保真度达到66.8%,创造了当前固态体系全局纠缠比特数的世界记录。接下来我们利用这个10比特的量子芯片模拟了凝聚态物理中的多体局域效应。借助于超导平台的高精度和快速调控的优势,第一次在实验上观察到了多体局域的纠缠熵随时间的对数增长效应。最后一章是对个人研究工作的总结与展望。比特的退相干效应和多比特的扩展一直是实现实用化量子计算要解决的两个关键性问题。我们通过发展多样化的多比特测控方案和技术,为解决这两个关键难题提供了宝贵的经验和技术支撑。在此基础上,我们还演示了 10比特的量子模拟实验,为应用超导量子模拟器研究量子多体系统的复杂行为奠定了基础。
【图文】：

约瑟夫森结,超导电路,约瑟夫森,内结构

２．１．２邋ＳＱＵＩＤ：等效的约瑟夫森结逡逑两个约瑟夫森结并联形成的结构为ＳＱＵＩＤ邋（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ邋ｑｕａｎｔｕｍ邋ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ邋ｄｅ－逡逑ｖｉｃｅ）。这是在超导电路中经常用到的一种结构。如图２－１邋（ｂ）所示，，总电流夂流经两逡逑个约瑟夫森结的分支，汇合后从ＳＱＵＩＤ的另一端流出。根据基尔霍夫电流定律，满足如下逡逑１５逡逑

势能曲线,约瑟夫森结,电路结构

Ｘｍｏｎ比特具有和Ｔｒａｎｓｍｏｎ类似的电路参数，均是从电荷比特演变而来。Ｘｍｏｎ比特逡逑没有私项，相当于电感无穷大的情况。？Ｅｊ／Ｅｃ？５０。它的势能曲线是一条正弦震荡的曲逡逑线，如图２－５所示。这些势阱都是等价的，其中一个势阱中的最低两个能级就可以看成一个逡逑量子比特。我们先看Ｘｍｏｎ比特相对于电荷比特的变化。Ｘｍｏｎ比特所用的电容相对于电逡逑荷比特大了邋２个数量级。更大的电容意味着更大的五ｊ／Ｅｃ，对电路中电荷波动敏感度也更逡逑低。这样Ｘｍｏｎ比特就克服了电荷比特容易受电荷噪音影响的缺点。我们再来看Ｘｍｏｎ比逡逑特相对于相位比特的特点。由于Ｘｍｏｎ比特和相位比特都满足五它们对电荷噪音逡逑都不敏感。但是Ｘｍｏｎ比特相比相位比特采用了更小的结。Ｘｍｏｎ比特的约瑟夫森结的等效逡逑电感比相位比特大了两个数量级。增大结电感的目的一方面是为了维持和桕位比特类似的逡逑能级差（？（Ｘｍｏｎ比特的电容比相位比特少了邋一个数量级，为了维持谐振频率不逡逑变需要增大电感），另一方面，更小的结面积意味着结绝缘层的缺陷也越少。另外，Ｘｍｏｎ逡逑比特比相位比特具有更小的电容。在制备工艺上这种电容是采用真空作为介质层的，所以逡逑Ｘｍｏｎ比特的电容介质层几乎不具有介电损耗。基于此，Ｘｍｏｎ比特获得了比相位比特更长逡逑的退相干时间。逡逑４逡逑１９逡逑
【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】：O413.1

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