基于超导量子器件的集成化固态量子计算

Comparing with other quantum bits, superconducting quantum devices possess advantages in initialization, manipulation, measurement, and coupling. Therefore, they are promising candidates for realizing quantum computing. However, the decoherence time for superconducting qubits is usually short due to the strong coupling with the environment. Although great progress has been made, it is still too short to do practicle quantum computing. On the other hand, the decoherence time for microscopic quantum bits is usually long. For instance, the decoherence time of the NV center qubit in diamond can be longer than ms. Therefore, it is worth to try to combine two systems together to do hybrid quantum computing. We will design and fabricate coupled qubits, investigate the interaction between qubits and environment. We will also investigate the readout of the qubits and study the decoherence causing by interaction and readout.

超导量子器件具有初始化、调控、测量、集成都十分方便的突出优势，成为实现实用化的量子计算的主要候选系统之一。但是，超导量子器件和环境较强的相互作用导致其退相干时间较短，虽然目前达到量子比特的基本要求，但还不足以满足大规模量子计算的要求。另一方面，许多微观量子比特具有很长的相干时间，例如近来研究热点之一的金刚石NV中心就具有毫秒以上的退相干时间。因此，立足超导量子器件的优势，并发挥微观量子比特退相干时间长的特点，探索二者结合构成混合量子信息处理系统在基础研究和量子计算的实现方面都具有特别重要的意义。本项目研究集成超导量子器件和微观量子系统实现固态量子计算：包括耦合量子比特的设计和加工；超导量子比特和微观系统组成的混合系统中量子态的相干调控和探测；研究超导量子比特和微观量子比特的强耦合，进行集成化量子信息存储和量子信息处理；研究各种相互作用以及测量对量子相干以及系统退相干时间的影响。

超导量子计算主要研究方向是延长退相干时间，增加量子比特操控、测量精度，扩展量子比特的数目。项目在超导量子比特和谐振腔组成的混合量子系统中就这三个方面都开展了深入研究。设计和制备了和超导谐振腔耦合的超导量子比特，通过改变超导材料、膜厚、氧化条件和微加工工艺，优化了超导量子比特和谐振腔的制备过程，能稳定地加工各种超导量子比特，超导量子比特的退相干时间达到20微秒，谐振腔的Q值达到100万，接近国际一流水平。研究了超导量子比特和超导谐振腔耦合组成的混合系统的量子态的相干调控和探测。设计和制备了包括3个超导量子比特和2个谐振腔的量子系统，观测到量子相干振荡，演示了单比特和两比特相干操控。单比特操控保真度达到99.5%，两比特保真度达到98.3%。此外，已经分别设计、制备了5个和13个通过谐振腔耦合的超导量子比特芯片，测量结果单比特工作正常，即将测量多比特之间的耦合。项目还研究了测量系统对量子比特退相干的影响，从地线、屏蔽、测量线路等多方面改进了测量系统，延长了退相干时间。利用量子比特研究了新的宏观量子现象，首次实验实现几何相的landau-Zener干涉，模拟了1维伊辛模型的Kibble-Zurek机制，模拟了能带结构中的拓扑相变。 这些成果在研究基础量子理论和集成化量子计算的实现方面都有重要意义。