超导量子比特和基于其混合量子电路层析技术的研究

摘要

量子计算机能够解决经典计算机不能企及的特殊问题。量子计算机的核心处理单元是量子比特，而量子比特的物理实现方法很多。基于约瑟夫森结的超导量子比特因其良好的可扩展性和低能耗，成为构造量子计算机的有力候选者。经过十多年的发展，超导量子比特已经在相干性和可控性上取得了长足的进步。单量子比特的相干时间已经提高到100μs量级，这为进行普适的量子门操作提供了必要的时间。但要想实现大规模的量子计算，我们仍然需要更多的量子元件比如超导谐振腔。超导谐振腔可以与量子比特集成构造极具特点的混合量子电路。混合量子电路结合了两个或两个以上的物理系统，目标是利用不同系统的优点和长处更好地探索新现象和发展新的量子技术。 本论文首先介绍了量子计算的基本概念，主要包括三种典型的超导量子比特（电荷、磁通、相位）的基本工作原理，并进一步从相干性和量子测量的角度回顾了其发展过程。在此基础上，本论文重点讲述了我们在浙江大学完成的关于混合量子电路的层析表征实验。该实验使用联合量子层析技术精确表征了量子比特——谐振腔混合单元的任意量子态。由于一个量子系统的状态可以完全由其密度矩阵表示，该密度矩阵包括表征占有率的对角元信息和表征相位相干性的非对角元信息。为了准确测量非对角元信息，我们对混合电路施加了一系列幺正操作，并完成了对应的局域测量。实验结果表明我们使用的联合量子层析技术能准确表征多种复杂纠缠态。由于谐振腔具有更好的相干性和更多可使用的能级，因此我们发展的层析技术可以更有效地发挥量子比特——谐振腔作为量子信息处理单元的优势。

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摘要

引言

第一章 量子计算

1．1 量子比特

1．2 量子逻辑门

1．2．1 单量子比特门

1．2．2 两量子比特门

1．3 典型量子算法

1．3．1 Deutsch-Jozsa算法

1．3．2 Grover算法

1．3．3 Shor算法

第二章 超导量子比特及其发展趋势

2．1 超导约瑟夫森结

2．2 超导量子比特

2．2．1 超导电荷量子比特

2．2．2 超导磁通量子比特

2．2．3 超导相位量子比特

2．2．4 超导量子干涉器(SQUID)

2．3 超导量子比特的操控简介

2．3．1 超导量子比特的哈密顿量

2．3．2 单量子比特的转动变换

2．4 超导量子比特的发展趋势

2．4．1 趋势一：相干性的提升

2．4．2 趋势二：非破坏性测量技术的发展

2．4．3 趋势三：基于超导比特的混合量子电路

第三章 实验测量系统

3．1 超导量子比特芯片的封装

3．2 超低温GHz微波测试平台

3．2．1 稀释制冷机

3．2．2 测量线路

第四章 量子比特—谐振腔混合电路的联合量子层析

4．1 联合量子层析的理论

4．1．1 量子比特的量子层析理论

4．1．2 谐振腔的量子层析理论

4．1．3 量子比特—谐振腔混合电路的联合量子层析理论

4．2 层析技术的实验方案

4．2．1 实验样品

4．2．2 实验脉冲序列和无干扰量子层析

4．3 利用层析技术表征量子比特—谐振腔的各种纠缠态

4．4 利用层析技术分析混合电路的复杂退相干动力学过程

第五章 总结与展望

参考文献

个人简历与科研成果