用于量子非破坏测量的纳米微桥型约瑟夫森参量放大器研究

Quantum computation and quantum information technologies are among the most frontier scientific and engineering research fields. Superconducting quantum circuits are clearly the most promising candidates for them. This proposal, with aims of developing high efficiency, fast quantum nondemolition measurement (QND) circuits based on Josephson parametric amplifiers (JPA), intends to systematically investigate the fabrication technologies of 3D nanobridge junctions and their DC & RF characteristics. The results will form the basis of the JPA development and the realization of QND measurements. The research plan includes design and optimizing of the fabrication of 3D nanobridge junctions, building & integrating of ultra-low temperature, ultra-low noise measurement system, DC & RF characteristics measurements and analysis, and the microwave response of transmission line or LC circuits integrated with 3D nanobridge junctions. It is expected that a mature fabrication process & parameters for 3D nanobridge junctions, and also adequate knowledge about their DC & AC properties can be obtained by this project. Furthermore, ultra-low noise microwave measurement can be performed.

量子计算及量子信息处理技术已成为二十一世纪最前沿的研究领域之一，基于超导的固态量子比特则是其中最具竞争力的研究方向之一。本项目针对量子比特信号的读出与处理环节，以发展基于约瑟夫森参量放大器的高效量子非破坏读出电路为目标，致力于研究3D纳米微桥结的制备与交直流特性，并探索以之为基础的非线性谐振腔的动力学特性，为约瑟夫森参量放大器的研制和量子非破坏读出的实现打下基础。具体研究内容包括3D纳米微桥结制备工艺的设计与优化，极低温、极低噪声测量环境的搭建，纳米微桥结交直流特性分析及基于传输线或LC回路的谐振腔微波响应特性研究等。项目预期能够形成较成熟的3D纳米微桥结制备工艺并系统掌握其直流和动力学性质，能够进行极低噪声的微波测量。

本项目的研究背景是量子信息和量子计算在国际前沿研究中成为热门，发展前景和社会效应巨大，各科技发达国家和大公司加大投入，新的成果不断涌现，量子计算的目标不断靠近，超导量子计算成为最好的候选者之一。. 本项目的主要研究内容是超导量子比特的非破坏性测量过程中的信号放大元件的制备，实现在色散测量中对单光子信号水平的放大。目前在超导量子计算中主流的方案是采用约瑟夫森结构成的非线性谐振电路作为参量放大器，利用超导特性减小能量损耗和噪声。. 我们探索了包括微桥型在内的多种约瑟夫森参量放大器，制备成功其中的两种并应用于超导量子比特的测量。第一种是窄带宽的约瑟夫森参量放大器，在14 dB以上增益带宽为35 MHz，工作频段为6.82 GHz~ 6.86 GHz。第二种是宽带宽的约瑟夫森参量放大器，在14 dB以上增益带宽为200 MHz，工作频段为6.55 GHz到6.75 GHz，饱和功率约为-115 dBm，工作频段噪声温度约在0.5 K。. 这两种约瑟夫森参量放大器被用于超导量子比特的测量中，起到了良好的效果。在放大器开启后，超导量子比特的|0>态和|1>的相对分离度从50.5%提高到72.4%，成功的应用于超导量子多比特的测量实验中，有效增强了量子态的读取信号，减少了必要的平均次数，提高了非破坏性测量的效率，有力地促进了超导量子计算研究的发展。在此基础上，积累了经验，技术更先进性能更好的约瑟夫森参量放大器也在设计和制备之中。