超导量子比特和微观量子系统的相互作用及其探测

超导固态量子比特利用超导体中库珀对的宏观波函数来构造宏观单量子态，具有初始化、调控、测量、集成化都十分方便的突出优势，成为研究量子信息处理和各种量子现象的理想量子系统。另一方面，超导量子比特和环境较强的相互作用导致其退相干时间比微观量子比特短，因此，立足超导量子比特的优势，并发挥微观量子比特退相干时间长的特点，探索二者结合构成的混合量子比特在基础研究和实际应用方面都具有特别重要的意义。本项目研究超导量子比特和微观量子系统（两能级系统、光子等）耦合的混合量子比特：包括量子比特的设计和加工；研究量子态之间及其和环境的相互作用；在耗散环境下量子态的相干调控；量子态的探测；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；探索新的宏观量子现象以及利用新的宏观量子现象实现规模化的量子信息处理的途径。

超导量子比特是人工全固态量子器件，具有耦合强、可扩展等突出优势，在量子力学基础理论和量子计算实际应用方面都具有特别重要的意义。通过本项目的研究，我们建立了超导量子比特的制备和测量系统，加工出高质量的超导量子比特，实现了对单个和耦合超导量子比特的操控。在此基础上研究了超导量子比特和微观两能级组成的混合量子系统中多比特量子调控和量子纠缠，利用超导位相比特能级特点设计了实验方案，在国际上率先实现几何相的Landau-Zener干涉，为容错量子计算提供了新的工具。研究了超导电荷比特和3维谐振腔耦合的系统，利用电荷量子比特的3能级结构演示了任意量子态的存储。此外，开展了量子自旋霍尔态的理论研究，预言了时间反演对称性破缺的量子自旋霍尔态。