超导量子比特退相干机理及超导量子调控电路的基础研究

量子计算机利用量子系统的内在并行性进行信息的存储和处理，因而拥有传统计算机无法比拟的运算速度并有望解决一些传统计算机无法解决的问题。量子计算机的基本单元是量子比特。超导量子比特的制备采用现有硅集成电路制作工艺，因此可以被大规模制作从而最有希望实现规模化量子计算。而规模化是实现量子计算机的关键。目前超导量子比特面临的最大问题是系统的退相干时间太短，阻碍了它的发展。本项目将：建立一套稳定的制备超导量子比特的工艺，填补国内的空白；制备单个及耦合的超导量子比特并观测各种量子现象；以不同量子比特的设计、材料及测量系统研究他们对量子比特消相干时间的影响，找到增加系统相干时间的途径。同时，要研究不同的量子比特耦合方式，测量耦合的超导量子比特的宏观量子纠缠；研究高速超导RSFQ电路的优化设计、制备和测量方法；研究用RSFQ电路对量子比特实施调控的方案；研究控制电路和量子比特的相互作用以探索降低噪声的途径。

本项目对超导量子比特退相干机理及超导量子调控电路的基础问题进行了深入系统的研究,从超导量子比特的样品制备与特性表征，到实现规模化量子计算的不同方面，取得了一系列重要成果，为实现规模化量子计算奠定了基础。建立了基于Cadence平台的RSFQ超导电路设计仿真软件包，发现了对实现规模化量子计算有重要意义的谐振腔串扰问题。提出了将超导传输线与超导量子比特结合实现对单个量子比特的控制、多个量子比特之间耦合的逻辑门、利用超导传输线测量超导量子比特以及利用超导量子器件集成在芯片上的集成光学量子计算系统的理论方案。我们根据系统噪声测量的non-Markovian响应，提出了一种噪声识别方法，该方法通过识别non-Markovian响应并在频域进行反转得到噪声频谱。我们发现给超导腔量子电动力学系统添加相干的反馈回路，可以改变超导传输线谐振子（线性的量子腔）的动力学过程，进而可以导致片上非常强的非线性光学效应。开发了应用于片上量子光学实验的量子相干非线性反馈。发现确定性混沌可作为退相干抑制器。发现利用耦合可调的传输线谐振子环形阵列快速实现磁通量子比特的多粒子纠缠态。在线路QED系统中，我们采用超导磁通量子研究了一种单步（one-step）快速产生GHZ态的方案。该方案中GHZ态的产生时间大约为10ns，该时间比磁通量子比特的相干时间要短，与单量子位操作时间可比。通过本项目的研究,掌握了超导量子比特的制备和特性表征方法和实现超导量子计算的关键技术。