基于约瑟夫森结的固态量子计算及退相干研究

量子计算机基于量子力学原理进行计算，具有量子并行计算的优势，其强大的功能远远超越现有经典计算机。由于具有易于集成可实现大规模化的优点，目前，固态量子计算已成为量子信息与凝聚态物理学中的前沿研究领域。而基于约瑟夫森结的超导器件呈现宏观量子效应，其好的量子相干性非常适合制备量子比特，所以，利用超导量子器件来实现固态量子计算被认为是具有较大潜力的方案。本项目尝试研究基于约瑟夫森结的介观电路的宏观量子态、电路中的量子起伏、纠缠以及可能产生的其它宏观量子效应，揭示这类系统的新奇物理特性和量子现象；探索基于约瑟夫森结的量子比特之间以及量子比特与环境之间的相互作用规律，寻找引起量子比特退相干的噪声源的产生原因及其微观机制，以发现有效的方法来降低噪声、提高量子比特相干性，为实验工作者实现固态量子比特的大规模集成以及设计量子调控的电路方案提供一些必要的理论参考。

纳米技术和平版印刷术的迅猛发展，集成技术得到了极大提高，使得基于约瑟夫森结的固态量子计算方案成为了人们关注的焦点。而量子比特的退相干却是限制这一固态方案发展的主要障碍。基于以上考虑，本项研究课题以退相干作为重点展开工作，所取得的成果主要涵盖以下几个方面：从基本概念、基本原理和基本方法等方面系统地建立起了包含约瑟夫森结介观电路的量子化理论；将连续变量纠缠态表象引入到介观电路的研究中，使得求解算符薛定谔方程这一动力学问题自然转变为求解单变量微分方程，为更深入地研究基于约瑟夫森结介观电路的退相干问题打下了基础；将基于约瑟夫森结的单个磁通量子比特所处的环境等效为两种类型的热库：玻色库和自旋库，研究了量子比特分别在这两种热库影响下的动力学演化和退相干；将两个基于超导量子干涉仪的电荷量子比特用电容耦合起来，探讨了穿过超导环的外加经典调控磁通对体系中存在的量子纠缠态的控制规律，并进一步研究了超导环之间的互感对这种规律的影响。另外，还借助于连续变量纠缠态表象分别研究了在激光传输过程中压缩热态光场、压缩数态光场、增光子两模压缩热态光场、 光子扣除压缩真空态光场以及双变量厄米多项式态光场的退相干机制。可以相信，本项研究成果的取得，对于人们最终实现固态量子计算机将会具有一定的理论参考价值和实践指导意义。. 近三年以来，在国内外SCI刊源杂志上发表研究论文12篇，培养硕士研究生6名。