混合超导量子比特体系的量子态信息交互和读取研究

Hybrid quantum circuits combining advantages of each individual system have provided a promising platform for quantum information processing. Here we study new hybrid system of directly coupling transmon qubit to a NV center/spin ensemble of NV centers. We investigate an experimental scheme to directly couple a transmon qubit to an individual spin in the nitrogen-vacancy (NV) center, with a coupling strength three orders of magnitude larger than that for a single spin coupled to a coplanar waveguide microwave cavity predicated by the theoretical calculation. We will demonstrate that, by using a low-density NV spin ensemble, a SWAP operation between the transmon and the NV spin ensemble is feasible and a quantum non-demolition measurement on the state of NV ensemble can be realized on the transmon-NV-ensemble hybrid system.

本课题研究超导量子比特-NV色心自旋混合体系，在量子处理器与存储器之间的信息传递和存储器的量子态非破坏性测量方面进行实验尝试。我们将测量Transmon量子比特和NV色心自旋间的耦合强度，研究耦合强度与Transmon超导结几何尺寸、NV色心浓度和金刚石晶体尺寸等参数的依赖关系，实现Transmon量子比特和NV色心自旋系综的强耦合。通过Transmon量子比特和低密度NV色心自旋系综的强耦合，进行Transmon和自旋系综的SWAP量子门操作，实现量子态在超导量子比特和自旋系综间的信息传递。利用基于失谐微波谐振腔的超导量子比特探测技术，对自旋系综的量子态进行非破坏性测量。

混合超导量子比特体系的量子态信息交互和读取研究项目研制了多超导比特量子芯片，实现了较长相干时间的多量子比特系统，完成了金刚石色心自旋体系相干时间测量。该项目实现了高保真超导量子比特操控和信息读取，实现了“动态关闭”Control-Z量子逻辑门、参量交换门(iSWAP gate)和交叉共振逻辑门（Cross-resonance（CR）等量子逻辑门操作，提出了多比特全局几何量子逻辑门；单量子比特逻辑门平均保真度达到99.8% （RB gate fidelity），双比特逻辑门平均保真度达到98.5%（QPT gate fidelity）。该项目也研究了超导量子比特-谐振腔模混合体系，通过超导量子比特与超导谐振腔光子的纠缠，实现了对谐振腔光子态的量子存储和非破坏性探测；研制了微波量子路由器和微波单光子三极管，实现了时分编码量子比特的按需存取和相干态飞行微波光子的多体“薛定谔猫”态。. 该项目研究过程产出了一些较为重要的研究成果，如我们首次实验研究了环境比特对于交叉共振逻辑门（Cross-resonance（CR））的影响并提出了实验解决方案，实现了对时分编码量子比特的按需存取，研制了极高增益和开关比的微波单光子三极管，首次制备了相干态飞行微波光子的多体“薛定谔猫”态等。