微波驱动共面波导谐振器实现超导量子比特的探测和操纵(延续资助)

With the supports of the training program entitled "detections and manipulations of single quantum states in circuit quantum electronics system" of this major research plan, we have set up a low-temperature experimental system to implement the measurements of weak microwave signals, realized the preparations of high-quality (larger than one million) superconducting coplanar waveguide resonators, and the detections of non-coherent signals of superconducting phase qubits. Based on these progresses, in this program for continue support we plan to experimentally demonstrate the desirable manipulations and detections of single quantum states for superconducting phase qubits and microwave photons by driving the fabricated high-quality superconducting coplanar waveguide resonators. With the microwave photons as data bus, we will further investigate to implement the couplings of the distant qubits for experimentally testing quantum mechanics and demonstrate the typical quantum algorithms (e.g., the Grove's and Shor's omes). It is expected that the present program could provide strongly theoretical and experimental basis for the future scalable quantum computing networks with circuit quantum electrodynamics system and basic contributions of solid-state quantum information processings based on microwave superconducting technologies.

在本重大研究计划前期培育项目“电路量子电动力学系统中的单量子态探测和操纵”资助下，我们搭建完成了用于开展该项目实验研究的极低温微波弱信号检测系统，实现了品质因子超过了一百万的超导共面波导谐振器的制备和超导位相量子比特的非相干信号测量。以这些工作为基础，在本申报延续资助项目中我们将通过调控所制备的高品质超导共面波导谐振器的微波传输特性，来实现超导位相量子比特和微波光子的单量子态操纵和探测；实现几个超导比特和谐振器的耦合并应用于宏观尺度上量子力学基本原理（如非局域性和互文性）的实验验证和少比特数量子算法（如典型的Grover和Shor算法）的模拟实现。本延续项目的完成将为未来可规模化的电路量子电动力学量子计算系统的实现，提供坚实的理论和实验基础；从而为最终实现基于微波超导技术的固态量子信息处理做出实质性的贡献。

在前期培育项目“电路量子电动力学系统中的单量子态探测和操纵”资助下，我们搭建完成了用于开展该项目实验研究的极低温微波弱信号检测系统，实现了品质因子超过了一百万的超导共面波导谐振器的制备和超导位相量子比特的非相干信号测量。作为两年期限的延续资助项目，我们首先利用皮瓦级弱光子流照射测试了该高品质超导共面波导谐振器和约瑟夫森结的弱微波传输特征和IV特性的稳定性，从而为构建基于这两种核心器件的电路量子电动力学提供了基础；为实现电路量子电动力学系统中的单量子态探测，我们将培育项目中所搭建的频域信号测量线路拓展地搭建了可以进行时域信号测量的极低温弱微波信号测试系统，测试结果表明其噪声水平达到了国际同类线路的水平；由于实验设备更新和微加工工艺尚需大量时间来摸索，我们未能成功制备出电路电动力学实验所需要的芯片样品，因而无法实现此系统的单量子态探测；建立了一种基于波导行波光子（而不是谐振器驻波光子）和超导人工原子相互作用的变形电路量子电动力学系统，并证明在这一系统中人工超导原子的单量子态能被确定性地（而不是概率性地）激发和操纵；讨论了利用光力效应实现微波光子传输特性（透明和放大）的可行途径。这些工作将为国内未来最终实现利用电路量子电动力学系统实现具有产业实用前景的量子计算机提供参考。