超导量子比特器件制备与测控

发布时间：2020-05-01 23:27

【摘要】：腔量子电动力学(QED)是研究光与物质的基本相互作用,如果一个原子和一个光子在一个与外界隔离良好的谐振腔内相互作用,二者之间将具有很强的耦合而不会使能量耗散。在这种强耦合限制下,原子不断地吸收和释放单个量子能量。光子和原子失去了各自的特性,形成新的本征态即物质和光的量子叠加态。以此类比,电路QED是一种新颖的腔QED芯片实现。它提供了在3D腔或共面波导谐振腔中实现人工原子——超导量子比特与微波谐振腔中光子之间强耦合的可能性。这种研究物质与光相互作用的新固态方法,可以对参数进行人为控制和更改,为进行新的量子光学实验打开了大门。此外,多个超导量子比特谐振腔与一个量子总线耦合是实现可扩展量子信息处理器的一种有前途的硬件结构。在本文中,我将讨论由集成到超导共面波导谐振器中的铝/氧化铝约瑟夫森结量子比特组成电路QED系统理论模型,详细介绍利用光刻技术、湿法腐蚀技术和铝薄膜蒸发法制备的高质量谐振器和约瑟夫森结,实现具有精确控制特性的超导量子比特的能力,如约瑟夫森能和电荷能。对于定义特定的量子比特能级结构是至关重要的,在一般情况下,为了进行特定的电路QED实验,必须经过反复测试控制量子比特的最大跃迁频率、非谐度、电荷色散以及量子比特与腔体之间的耦合强度。这因此需要一套非常严格的制备工艺:标定电子束曝光剂量和双角度蒸发制备约瑟夫森结氧化时间等工艺参数;研究了铝/氧化铝约瑟夫森结的电学性能和材料性能,如室温隧道电阻、氧化过程引起的电阻随时间的变化。同时考虑到超导量子比特的退相干时间限制,我们一方面考虑利用绝热捷径技术模拟量子比特态的演化,从而在有限的时间内能够快速稳定的控制量子比特。另一方面,我们根据磁通量子比特的弊端加以改进尝试提高退相干时间。
【图文】：

ｔ逡逑ｇｒｏｕｎｄ逡逑图２．３：邋（ａ）长度为Ｌ的ＣＰＷ谐振器的俯视图，右侧为长度为＆的叉指电容，左侧为长度为逡逑＆的间隙电容，两侧为侧向地平面。（ｂ）ＣＰＷ谐振器的横截面设计。宽度为ｗ的中心导体逡逑和间隔为距离ｓ的地位于基片上，采用标准的光刻、电子束蒸发和腐蚀工艺刻制而成。基逡逑质是厚ｈ＝５００ｎｍ，相对电容率Ｅｌ为１０．３４的蓝宝石。逡逑１５逡逑

ｎｇ逦ｎａ逡逑图２．２：ｔｒａｎｓｍｏｎ能级结构图。ｌ２８１ｔｒａｎｓｍｏｎ量子比特当ｆｙ／ｆｃ取值的不同时，前三个能级随逡逑门电荷的变化。跃迁频率随ＥＪ／ＥＣ的增加呈指数下降，同时非谐性也逐渐减小。逡逑有重要的基础意义，由于系统的相对简单，，可以ｊ－ｃ哈密顿量很好地描述：逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑ｇｒｏｕｎｄ逡逑Ｓ邋ｉ邋＾逦ｆｉｎｇｅｒ逦个■逡逑ｗ邋￥邋ｇａｐ逦ｃｅｎｔｅｒ邋ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ逡逑＾—＇—ｔ逡逑ｇｒｏｕｎｄ逡逑图２．３：邋（ａ）长度为Ｌ的ＣＰＷ谐振器的俯视图，右侧为长度为＆的叉指电容，左侧为长度为逡逑＆的间隙电容，两侧为侧向地平面。（ｂ）ＣＰＷ谐振器的横截面设计。宽度为ｗ的中心导体逡逑和间隔为距离ｓ的地位于基片上，采用标准的光刻、电子束蒸发和腐蚀工艺刻制而成。基逡逑质是厚ｈ＝５００ｎｍ，相对电容率Ｅｌ为１０．３４的蓝宝石。逡逑１５逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O413

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