超导量子电路在固体物理系统量子仿真中的应用

Superconducting quantum circuits are among the most promising candidates in the implementation of solid-state quantum computing and quantum information. Although there remain key problems to be solved on the road to the ultimate gate model quantum computation, recent tremendous progresses in the device design and quantum coherence times have made the quantum simulation experimentally realizable. In this project, we will investigate, via the coupled superconducting qubit and resonator arrays, the quantum simulations of some solid-state models such as one-dimensional transverse-field quantum Ising chain and Holstein polaron system. We will utilize the planar multilayer processing and shadow evaporation techniques for the device fabrication and employ the quantum nondemolition measurement to obtain the ground-state order parameter, correlation function, and dispersive relation of elementary excitations of these solid-state systems. The rich nonequilibrium state properties and quantum phase transitions will be systematically investigated.

超导量子电路是固态量子计算和量子信息方面的有力竞争者，尽管在实现门电路方案的普适量子计算道路上还有许多关键的问题需要解决，但近年来在器件设计和量子相干时间方面的巨大进展，使其在量子仿真中的应用正在成为现实。本项目将深入开展超导量子比特和谐振腔耦合系统对一维横场Ising链和Holstein模型等若干固体物理对象的量子仿真研究。我们将采用多层膜和斜影蒸发工艺制备超导量子比特和谐振腔耦合系统，并通过量子非破坏性色散读取技术进行基态序参量、关联函数以及元激发色散关系等物理量的测量，从而研究体系的非平衡态特性和量子相变等丰富的物理现象。

超导量子比特以其设计灵活、易扩展、易集成、易操控等特点，目前已被认为是最有可能实现量子计算的方案之一。本项目计划以超导量子比特和谐振腔耦合系统为基础，对若干固体物理中的多体问题开展量子仿真（模拟）研究。经过4年的努力，我们采用多层膜和斜影蒸发工艺成功制备了超导量子比特和谐振腔耦合系统，实现了超导10比特耦合系统量子态的非破坏性单发同时读取，并对若干多体物理问题开展了量子模拟研究。具体内容包括：（1）成功制备了用于多比特单发测量的阻抗变换参量放大器，放大器增益15dB以上的带宽达到600MHz，噪声温度接近量子极限，基态和激发态的读出保真度分别高于97%和91%；（2）成功制备了铌基超导耦合10量子比特器件，测量腔的品质因子高于3万，能量弛豫时间大于30μs，退位相时间大于14μs，并制备了空气桥有效地压制了比特间的串扰；（3）从实验和理论上系统研究了超导量子比特与谐振腔耦合系统的性质；（4）利用铝基超导耦合10量子比特系统展开了多体物理问题的量子模拟研究，包括动力学局域化、量子演化过程的逆转、以及Su-Schrieffer-Heeger模型中拓扑边缘态的观察等。