超导量子比特芯片制备及其宏观量子特性

For the realization of quantum computing, it is necessary to control the coherent dynamics in appropriate quantum mechanics system. The quantum state engineering becomes a whole new area for study in modern informatics. Superconducting qubits are solid state qubits. The parameters of solid state devices are determined by the designers and can be adjusted continuously in a large range. Besides, the present technology allows many options to couple the qubits together. This topic embarks from the experiment characterization and researches on the macroscopic quantum phenomena in the coupling of superconducting multiqubits. Superconducting quantum bits for chip, quantum bit coupling and regulation mechanism, quantum bit and material microstructure interaction mechanism research on scientific problems. We will research on the device structure, circuit design, preparation process and the relationship between chipset features and macroscopic quantum state association. Specific research contents have the following several aspects: the structure of superconducting Josephson junction qubits; the theoretical analysis and experimental testing of two-level states in junctions; the association of superconducting material, preparation process, circuit design and macroscopic quantum characteristics; the form and method of control of the coupling of superconducting multiqubits; the influence of environmental noise to quantum states in superconducting quantum qubit systems; the capable way for improving macroscopic quantum characteristics. The results of this study will make a contribution to the experiment research on superconducting quantum computing.

为了实现量子计算，必须对恰当的量子力学体系中相干的动力学过程进行人为的控制，这一量子态工程已成为现代信息学中一个重要的研究领域。超导量子比特是固态电路可以集成，结构可以进行设计，是目前最有可能成为实用的量子比特实体。本项目从实验表征出发，开展多个超导量子比特的宏观量子现象研究。针对超导量子比特芯片中，多个量子比特耦合和调控机理、量子比特与材料微结构的相互作用机制等科学问题展开研究。具体的研究内容为：超导约瑟夫森隧道结构成量子比特的结构；多个量子比特耦合形式与调控方法；两能级状态的理论分析与实验验证；超导材料、制备工艺、电路结构与宏观量子特性的关联；环境噪声对超导量子比特系统量子态的影响；改善宏观量子特性的可能途径等。此项工作的成果将会对国内超导量子计算的实验研究做出重要贡献。

超导量子芯片在量子计算、宏观量子效应，非线性效应等领域具有广泛的应用前景。本项目研究工作围绕两方面进行，一部分为实验研究，包括超导量子芯片制备工艺，超导量子比特设计参数提取，对其宏观量子特性进行表征。另一部分根据实验的量子系统建立理论模型并进行仿真计算，结合实验结果和理论模型解释与分析机理。这些研究成果为超导量子比特的实验研究打下了重要基础，主要的研究进展：.1、完成了超导相位量子比特、超导量子干涉仪等量子芯片的设计、制备及量子性能测试。关键器件隧道结性能指标达到了超导量子芯片的参量要求。为今后各种功能的超导量子芯片的研究打下了坚实的基础。.2、进行了磁通偏置相位量子比特的研究。得到了量子比特的共振隧穿，qubit能谱，Rabi振荡，退相干等量子效应。提出了一种利用超导Josephson隧道结跳变电流共振峰来标定隧道结能级结构的方法，该方法可以方便地确定任意电流偏置下的隧道结的基态和第一激发态的能级差。.3、设计制备出射频超导量子干涉仪（RF SQUID），将其应用于在随机共振等非线性效应的研究中。提出了利用噪声的作用标定双稳态系统对称性的方法，在此基础上，提出了以测量双稳态系统布居分布来表征随机共振的新方法。为操控量子态提供了一种新的方法。.4、利用两体四能级耦合模型，描述共振微波驱动下的两体 qubit-TLS 系统的动力学。在微波作用下，超导相位量子比特与微观二能级系统的耦合中，横向耦合起主导地位，耦合会降低系统的相干性。这一结果为实验测量提供了理论指导。研究了共振微波驱动的两体 qubit-TLS 系统的纠缠动力学性质。当超导量子系统与环境相互耦合时，会呈现纠缠突然死亡以及纠缠又复活等奇特的宏观量子现象。这源于超导量子比特与微观二能级系统的相互作用，可以通过调节超导量子比特与共振微波的相互作用时间，调控两体 qubit-TLS系统的纠缠度。