高性能Nb基超导量子比特阵列的制备和应用

Superconducting qubits have the well-known advantages of design flexibility, quantum-state manipulability, and device scalability, among which the transmon qubits based on the architecture of circuit quantum electrodynamics have received much attention. In this project, we will develop the planar multilayer microfabrication processes for the preparation of the Nb-based transmon qubits, using the ultra-high vacuum magnetron sputtering, electron-beam lithography, reactive ion etching, and shadow evaporation techniques. High-quality, large-scale qubit array devices for the quantum simulation of the solid-state many-body systems will be fabricated. Furthermore, using the quantum-state nondemolition measurement technique, the qubit array devices will be characterized and the quantum simulation of some solid-state models will be investigated.

超导量子比特具有熟知的器件设计的灵活性、可精密调控性和可扩展性，其中基于电路量子电动力学系统的传输子型量子比特就是一个突出的例子。本项目将采用超高真空磁控溅射、电子束曝光、反应离子刻蚀和双角度蒸发等微纳加工手段，发展传输子型Nb基超导量子比特的平面多层膜制备工艺，研究面向固体系统量子仿真应用的高性能、大规模耦合量子比特阵列器件的制备技术。项目将同时采用量子比特的非破坏性色散读取方案，对这些耦合量子比特阵列器件进行系统的表征，从而实现若干固体物理系统的量子仿真的研究。

本项目计划发展Nb基底层的传输子型超导量子比特阵列的制备工艺，制备面向多体系统量子模拟应用的高性能耦合量子比特器件，开展若干多体系统的量子模拟的研究。项目执行4年来，我们圆满完成了计划的研究任务。除了研制出用于多比特单发非破坏测量的约瑟夫森参量放大器（JPA）外，我们发展了整套耦合10量子比特器件的制备工艺，包括高质量铌膜生长、激光直写配合干法刻蚀制备图形、双角度蒸发约瑟夫森结、搭建抑制串扰的跨比特控制线的空气桥等。这些多量子比特器件具有良好的读出谐振腔特性，能量弛豫时间和 Ramsey (spin-echo) 测量的退位相时间分别为 40 μs 和 14（47）μs，单量子比特门的保真度达到99.97%，量子比特间的耦合强度达到设计要求，且多量子比特间的串扰小于1%。此外，我们首次利用周期驱动方法研究了Loschmidt回波和算符的传播，通过精确调控量子比特的磁通偏置来控制近邻比特间的耦合强度，成功演示了XY模型中的量子行走、反向时间演化和非时序关联子（OTOC）测量。在多粒子系统中观测到清晰的光锥状算符传播，泡利Z算符的OTOC在快速衰减后恢复到初始值，最后接近零，显示了在没有信息置乱的情况下的非热化过程。相反对于泡利X算符的OTOC，没有观察到这种信息恢复，显示出了信息置乱的特征，这一行为与不可积混沌系统类似。最后，我们对传输子型超导量子比特的二能级近似在不同实验中的应用作了系统的分析。