超导量子电路中量子态的测量和控制

本项目拟主要研究超导量子电路中量子态的测量和控制。我们将以射频信号偏置的约瑟夫森分岔（Bifurcation）放大器（非线性系统），非线性纳米机械共振器，和射频超导量子干涉器件与超导量子比特的相互作用为研究对象。分析它们的相互作用机理，从而建立用这些仪器测量超导量子比特的测量理论；分析不同仪器在测量量子比特时引起的量子噪音对量子比特相干性的影响，从而找出较优的测量仪器和测量方法。在此基础上，我们将研究规模化超导电路中的反馈和控制理论。

在基金号为10975080的基金资助下，围绕超导量子电路中量子态的测量和控制这一主题，我们从量子比特与超导传输线及其纳米机械谐振器的相互作用，到对这些系统的测量，再到超导量子电路中的控制和反馈控制及其应用展开理论研究，取得系列研究成果。已发表标注资助的SCI论文16篇【其中，14篇发表在Phys. Rev. A 和B杂志，1篇发表在 IEEE Trans. Automat.杂志，1篇发表在 Sci. China-Phys. Mech. Astron.】，目前标注基金号的成果还有7篇文章已在arXiv上公开并正在投稿中，预计将在2013年底前发表，研究成果概括如下。.作为超导量子比特系统中的测量和控制的研究基础，我们首先研究解决了微波量子场与机械振子、量子点中的自旋、超导量子比特、及其混合系统的耦合机制，发现微波量子场与自旋量子比特可以达到强耦合极限。我们也发现微波信号在通过由超导量子器件和机械振子及“人工原子”等构成的混合固体器件时会有阻塞、隧穿、透明、放大等效应，与此同时，我们给出了表征微波等电磁场非经典特性的规则，建立了微波信号在非马尔科夫环境中传输的输入输出理论，为以后非马尔科夫条件下反馈控制和相干反馈控制的研究奠定了坚实的理论基础。.基于微波器件的性质，在研究约瑟夫森分岔放大器测量量子比特原理的基础上，我们发现用非线性量子反馈和控制可以在一个阻尼的线性谐振子中诱导出伪非线性动力学，从而可以诱导出非线性的分岔。这样我们可以用一个线性系统通过非线性的反馈和控制手段实现信号的放大并用它来测量量子比特的状态，进而我们提出用可控非线性超导量子干涉仪产生的混沌信号抑制超导等固体量子比特的退相干，同时提出用非线性相干反馈控制的方法产生强的微波光子间的非线性作用，这一研究可直接应用于超导量子系统中的量子非破坏测量等。另外，我们提出通过超导量子比特诱导机械振子中声子的相互作用来探测其量子性的理论方案。发现用可控超导量子比特控制微波信号在耦合超导传输线微腔中传输的物理机制。.作为测量和微波控制的应用，我们研究了如何用基于测量的量子位相算法估算非幺矩阵的本征值，提出通过控制微波信号在超导量子比特系统中制备多量子比特GHZ态、实现单量子比特控制多量子比特量子逻辑门、和仿真激子激发的理论方法。