超导量子电路中的多量子比特高效率量子非破坏测量系统研究

Superconducting quantum computing technology are among the most promising candidates for realizing practical quantum computer. In the past decade, superconducting qubits and their manipulation and measurement technology advanced dramatically. Thousands of gate operations can now be finished in a Qubit lifetime. As a result, high efficiency and high fidelity readout and control for multi-qubit system will be critical for next phase's developement. This Project will focus on the developement of high efficiency, wideband and high dynamic range QND measurement solution which is capable of simultaneous readout for multi-qubit system. The research contents include: Design and fabricate microwave resonator with high internal Q factor, developement of JPA with near quantum limit performance, exploring technologies of improving bandwidth and dynamic range of JPA, etc. Furthermore, fast and continuous measurement of multi-qubit states evolution will be realized. Based on such high level weak quantum measurement, we will design and perform some experiments to deeply explore measurement induced quantum mechanics. Preliminary research on quantum error correction (QEC) and control for entangled multi-qubit system will also be done during the project.

超导量子计算由于其良好的可操控性和可扩展性等优势，成为实现量子计算机最有希望的候选方案之一。随着超导量子比特性能的飞速进步，提高对多量子比特耦合系统的量子非破坏（QND）读出效率和保真度已成为现阶段量子计算发展的关键。针对这一需求，本项目致力于研究满足多量子比特同时读出的高效率、高带宽和高动态范围QND测量综合方案，包括高内部Q值微波谐振腔的设计与制备；接近噪声量子极限的参量放大器（JPA）及其控制和测量方案研究；探索和实现提高JPA带宽和动态范围的方法等。在此基础上进一步研究多量子比特系统中量子态的连续时间演化性质，实现若干以弱测量为基础的高水平量子物理实验，初步探索量子纠错和控制的实验方案。

量子计算利用量子态的叠加和纠缠特性，能够显著加速某些NP难题，例如大数分解、无结构数据搜索等的运算速度。这些问题的解决有望应用于密码学、搜索、人工智能、化学与材料计算等领域，将对人类社会造成深远影响。超导量子计算是目前技术成熟度最高、最具前景的候选技术方案之一。本项目针对超导量子计算中一个关键技术难题——量子态的高保真、高效率读出进行深入研究，主要研究内容包括制备出高Q值的超导谐振腔、研发宽带、高动态范围的JPA、研发QND测量的电子学，并在此基础上进行一系列量子模拟、量子纠错及量子光学等方面的科学研究。主要的研究成果包括1）研发出一种新型阶跃阻抗谐振腔并获得超过50万的内部Q值（单光子水平）；2）研发出带宽可达200MHz、增益超过15dB、动态范围达-115dBm的宽带JPA，应用于超导量子比特测量后大幅提升了单发读出的保真度；3）研发出一套高集成度、模块化可扩展、低延时的量子比特测控电子学系统；4）利用可调耦合器，实现了保真度超过99.53%的两比特CZ门；5）利用量子态移动的方法，表征了量子比特之间的空间噪声关联，并采用CPMG-Motion方案，大幅降低了空间无关噪声水平，从而将量子态退相干时间提高了近一个量级；6）利用一个量子比特模拟了一维横场Ising模型的量子动力学想变过程；7）腔诱导ATS效应、纵场调制、NbTiN薄膜超导电性研究等。上述研究成果为未来超导量子计算发展打下了很好的基础，宽带JPA使得很多高水平多量子比特科学实验成为可能，高Q值超导谐振腔大幅提升了超导量子比特的退相干时间，高保真度CZ门为后续高水平量子算法的执行和量子模拟打下基础。总体来说，本项目很好的完成了最初设定的科学目标，研究成果对未来超导量子计算发展具有重要的科学意义。