基于transmon qubit的量子芯片工作环境的研究与优化

发布时间：2021-10-26 16:04

　　本人从进入郭国平教授的固态量子芯片研究室至今,一直在学习与研究量子芯片工作环境的优化方法。本人接触的是基于transmon qubit的超导量子芯片体系,而实验室的研究课题是半导体量子芯片,实验室在半导体量子计算方面积累了丰富的实验经验,对于超导体系,这些经验无疑提供了巨大的帮助,但也面临全新的挑战与尝试。经过五年的调研、学习、思考与实验,本人不仅搭建起一整套transmon qubit的加工平台以及测控平台,而且掌握了超导量子芯片的调控表征方法,并且将绝大多数精力放在对于transmon qubit工作环境尤其是低温环境部分的设计与优化中,成功将transmon qubit的平均T1从0.6 μs左右提高至5 μs,并且还在持续优化中。Transmon qubit是基于铝制超导电路的量子比特体系,对于工作环境的最基本要求就是温度低于其超导临界温度（约1.18 K）。我们使用了能够达到10 mK极低温的稀释制冷机来维持transmon的工作温度,但这依然是远远不够的。在本人的学习研究中,发现了大量影响transmon相干时间的因素,这些噪声来源于量子芯片工作环境以及测控方法。学习以及消... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：159 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．４．１量子计算发展方向，汉化自［８２】

第２章超导量子芯片??本人所研究的是基于ｔｒａｎｓｍｏｎ?ｑｕｂｉｔ的超导比特体系。读博期间，本人参与??设计、改进并测试了多种包含】至８个ｑｕｂｉｔ的超导量子芯片（见图２．２．４⑷以??及图２．３．３）。我们首先介绍其体系原型一一ｃａｖｉｔｙＱＥＤ中的Ｊ－Ｃ模型，再引申至??具体实现方法?ｃｉｒｃｕｉｔ?ＱＥＤ，最后再分析影响ｔｒａｎｓｍｏｎ?ｑｕｂｉｔ退相干的噪声因??素。只有掌握我们所研宄的量子芯片物理体系，我们才能明确地知道它对工作环??境的需求，并且针对性地实施优化。??２．１腔量子电动力学??２．１．１?Ｊ－Ｃ哈密顿量??腔量子电动力学（ｃａｖｉｔｙＱＨＤ）描述的是原子与光场之间的相互作用，特别??地，最简单也最有价值的是对单个二能级原子与单模光场相互作用的研宄，通常??使用】３＞１＾－（１：１１１１１１１１丨叩］＾０（＾１（简称为１１－（＾模型）［１］－［２］来描述。在１１－（１；模型中，??原子的两个能级分别记为基态丨Ｗ与激发态相应地

图２．１．２?（ａ）?ｄ?＝?０时Ｊ－Ｃ模型对应的能级简图；（ｂ）满足公式（２．１．１６）时ｄｒｅｓｓｅｄ态??原子与真空光子相互作用时的能级频谱分布，引用自丨３１。??公式（２．１．１６）具有重要的意义，它表示原子与光场之间的相互作用速率大??于原子与光场各自的退相干速率。因而，我们能够在原子与光场各自退相干之前，??完成能量在两个体系之间的传递。我们称两个体系的相互作用速率大于各自的退??相干速率为强親合条件，对应地，我们称同时满足』＝０以及８＞＞丫，＞＜的腔量子电??动力学体系为?ｒｅｓｏｎａｎｔ－ｓｔｒｏｎｇ?ｃｏｕｐｌｅｄ?ｓｙｓｔｅｍ。??事实上，在共振强耦合下，系统的量子态以速率在丨±，ｎ＞之间自发持续地??相互转化，直到因为总的退相干速率〇ｃ＋Ｙ）持续耗尽系统能量。因而原子与光场??不仅可以交换能量，也可以交换任意量子态（也可以是量子信息）。因此，强耦??合条件可以进一步地应用为：??（１）如果一开始原子与光场处于Ａ＝?〇〇的状态，则可以将原子编码为量子比特并??存储信息；随后将原子调节至与光场共振；经过一段特定的时间Ｔ后系统经??过演化，原子的信息传递到光场中；最后回到Ａ＝?〇〇的状态。??

【参考文献】：
期刊论文
[1]Enhanced readout of spin states in double quantum dot[J]. Baobao Chen,Baochuan Wang,Gang Cao,Haiou Li,Ming Xiao,Guoping Guo.  Science Bulletin. 2017(10)

博士论文
[1]基于Josephson效应的量子信息过程[D]. 胡勇.中国科学技术大学 2007



本文编号：3459797