基于超导量子器件的量子逻辑门和纠缠态研究

In recent years, research on quantum computing based on superconducting qubits has attracted much attention. We will carry out extensive researches on several problems related to quantum computing in the system of the superconducting qubits.The main contents include that the preparation of the quantum logic gate and entanglement state by using of the interaction between superconducting qubits and transmission line resonator. Besides, the methods to solve the problems related to fast decoherence in superconducting qubits with different interaction mechanisms will also be studied.By carrying out this project,the physical nature and characteristics of the superconducting qubits will be fully revealed. At the same time, this project will provide the reliable physical models and theoretical bases to practical quantum computing in solid state systems.

近年来基于超导量子比特的量子计算的研究引起了人们的广泛关注。本项目从理论上对基于超导量子比特的量子计算涉及的几个问题进行深入研究。主要研究内容包括：利用超导量子比特和传输线共振器的相互作用制备量子逻辑门和纠缠态的方案，并探索解决超导量子比特系统中快速退相干难题。开展这一研究，将充分揭示超导量子比特的物理本质和特性，同时通过该项目的研究为在固态系统中实现量子计算提供可靠的物理模型和理论依据。

量子计算的首要问题是对量子态进行操作，量子态是信息的载体，量子信息的加工处理归根到底是量子态的操作过程，因此选择合适的物理系统准确地实现量子态操作是目前量子计算研究中的重要课题。超导量子器件是建立在集成电路工艺上的固体量子电路，具有无损耗、可规模化等特点，而且超导量子比特较大的设计和加工自由度为规模化提供了较多的选择，是实现量子计算最有希望的物理系统之一。. 本项目从理论上研究了基于超导量子比特的量子逻辑门制备和纠缠态制备方案。主要有：利用超导量子干涉仪（SQUID）与共振器的拉曼非共振耦合提出了一个相位门的制备方案，该方案利用SQUID与共振器的非全同耦合实现了一步演化制备n比特受控相位门。由于该方案仅需一步演化实现且在制备过程中无需任何调节试验参数，该方案具有高效率、制备简单的特点。利用破坏对称性的超导人造原子提出了制备纠缠态的方案。该方案利用一维传输线共振器与Δ型三能级人造原子及经典场的耦合制备了χ型四比特纠缠态。方案将量子信息编码在基态上，可以大大减少人造原子的自发辐射的影响。方案中人造原子的激发态和光子态被绝热消除掉，因此人造原子的自发辐射和传输线共振器的衰减的影响可以忽略不计。此外,基于色散耦合条件和强外场驱动条件在电路电动力学系统中利用传输线并联等离子振荡量子比特与共振器的相互作用分别提出了制备几何相位门的方案，这两个方案在当前实验条件下都具有可行性。