基于超导传输线腔的光腔量子比特的量子逻辑门和态制备

超导量子电路被认为是最有可能率先实现可扩展容错量子计算的物理体系之一。目前，在超导量子计算这一领域，关于超导传输线腔的理论与实验研究已日益受到人们的重视。现有的研究一般利用传输线腔作为耦合器件来传递超导量子比特所储存的量子信息。本课题将致力于发展以超导传输线腔为量子信息载体，而使用超导Josephson量子电路作为耦合器件的新型量子信息过程。我们将发扬超导传输线腔的相干性上的优势以克服以往超导量子计算中的超导量子比特退相干时间较短的弱点，而利用Josephson量子电路与传输线腔的强耦合来诱导传输线腔间的强的有效相互作用以实现各种量子信息操作。我们拟进行的研究工作是，发展和完善基于电磁感应透明机制的传输线腔模间高强度高品质互Kerr效应的方案，并探讨基于这种互Kerr效应的传输线腔qubit间非平凡量子逻辑门实现与传输线腔相干态迭加态制备。

本项目旨在探讨如何实现超导传输线腔之间以及超导传输线腔与其它物理体系之间的新型耦合，以及如何利用所得到的耦合来实现量子信息过程。我们完成了本项目的既定目标。我们从理论上探讨了超导传输线腔之间基于参量转换的电感可控耦合机制以及超导量子电路和其他物理体系的耦合。我们提出了在一个由三个超导传输线腔通过超导量子干涉仪连接而形成的组成的环形链中实现参量光子转换过程的方案。通过对超导量子干涉仪的合适调制，我们可以诱导出传输线腔之间的光子跳跃，而在跳跃过程中所累积的非平凡相位就可以被认为是施加于光子的有效磁场。我们进一步的在这一体系中讨论如何实现单向光子传输，我们的这种参量方法在电路设计和操控方面优于已有的方案，在当前的技术条件下有很好的可行性，这为在超导量子电路中研究规范理论提出了一条新的路径。我们还提出了一个对光子流的单向特性进行度量的量化方法。利用我们所提出的这一概念，我们可以超越已有的定性研究，在更广泛的情况中研究光子的单向流动对外界泵浦和退相干机制的依赖。在包含超导量子电路的混杂量子体系耦合方面，我们提出两种可控接合方案来连接拓扑量子比特和超导量子比特以实现普适量子计算，其中一种用于接合超导量子比特和拓扑量子比特，以实现拓扑量子比特的任意单比特操作，而另一种拓扑量子比特和超导传输线腔之间的接合则可以用于实现拓扑量子比特之间的非平凡两比特门，这一操作是通常的辫群操作所难以达到的。这两种接合都可以通过外接磁通进行调制，可望在未来的普适拓扑量子计算中成为基本的电路单元。我们还探讨了探求在超导量子比特和金刚石NV中心通过超导传输线腔和纳米机械振子耦合的体系中实现高效率量子态传输的问题。我们对体系在退相干情况下的演化的数值模拟结果表明，基于现有的实验技术，不论是小耦合还是大耦合区域，这一体系都不能实现高保真度的量子态传输。然而，在与直觉违背的中间强度的区域，高保真度的量子态传输是可以被实现的。我们的结果为在类似的耦合谐振子体系中实现量子态传输提出了一种新的途径。