集成化固态量子比特的探测和相干操纵

Comparing with other quantum bits, superconducting qubits 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 and spin in quantum dots 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 single and coupled qubits, investigate the manipulation and measurement of quantum states. We will also investigate the coupling and entanglement between hybrid solid-state qubits, realizing manipulation, control, and measurement of the hybrid qubit states.

超导量子比特具有初始化、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，超导量子比特和环境较强的相互作用导致其退相干时间较短，无法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，例如金刚石NV色心和半导体量子点中电子自旋就具有毫秒以上的退相干时间。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，探索二者结合构成杂化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。本项目拟设计和构筑基于冯诺依曼模型的固态量子计算机原型。利用超导量子器件设计和构筑单量子态体系，实现对单量子态的精确控制和探测。研究多种固态量子比特中单量子态的耦合、纠缠、和相干操纵，探索杂化量子比特的构筑、相干操纵、和单量子态探测，为实现集成化量子计算提供可能的理论基础和技术方案。

量子计算作为后摩尔时代的重要信息技术，对国家战略、经济、科研等方面都非常重要。目前，量子计算正处在初期研究阶段，人们正在探索实现量子计算的有效途径，因此提出了许多方案，主要有光学、冷原子、自旋、超导量子器件等。这些方案在操控性和相干性方面各有优劣。本项目探索把超导量子比特的和自旋结合起来，充分发挥超导量子比特的操控性和自旋比特的相干性的优点，进行杂化量子信息处理。项目设计和制备了和超导谐振腔耦合的超导量子比特，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。设计加工了高Q值蓝宝石谐振腔，探索了谐振腔和NV 色心、量子点的耦合。利用超导谐振腔对超导量子比特中单量子态进行了高保真度的操控和非破坏性测量。研究了NV色心量子比特制备和加工，制备出深度和浓度分布可控的样品，掌握了离子注入制备金刚石中氮-空位色心的关键剂量和能量参数；检测了样品中氮-空位色心的分布、连续波谱、退相干时间和拉比振荡衰减时间等关键参数；结合微纳加工技术，对样品表面进行标记，并进行聚焦离子束刻蚀，将样品荧光计数率提升到500千每秒，有效提升了读出效率；研究了NV量子比特的高精度量子控制，发展了能够有效抑制环境和操控场等各类噪声的新型组合脉冲技术，在实验上实现了高精度抗噪声的量子逻辑门控制，达到容错量子计算所要求的阈值；实验演示量子算法和量子模拟，基于发展出的高精度量子控制技术，在NV量子比特上演示了重要的量子算法和量子模拟任务，实现了高效率的反事实计算、实现了量子模拟技术对拓扑数的直接测量。用磁光光谱、自旋噪音谱和超快光谱技术研究了半导体自旋特性，用全光学方法观测到多重核磁共振现象，建立了一种精确测量薄膜磁各向异性的方法，有助于基于半导体自旋的量子信息技术的发展。