基于超导量子系统的快速量子计算研究

Quantum computation can solve certain computation problems which cannot be solved by classic computation. Among many quantum systems used to realize quantum computation, superconducting quantum system has attracted much attention because of its good integration and good handling and becomes one of hot fields for the studying of quantum computation. There are two mainly fields for the studying of quantum computation based on the superconducting quantum system: on superconducting qubits and on superconducting resonators. Although the quantum computation on superconducting qubits has obtained a well developing, to realize a large scale and fast fault-tolerant quantum computation, the time of two-qubit universal quantum gate should be further shorted. The studying about the quantum computation on superconducting resonators is still in initial stage. My study is focused on: (1) the find of the new effect to construct faster universal quantum gate on superconducting qubits; (2) the designation of new structures for the superconducting quantum circuit to integrate many 1D superconducting resonators effectively and construct fast quantum universal logic gates on them; (3) the designation of 1D superconducting resonator with higher quality factor and quantum circuit to couple many 1D superconducting resonators to a superconducting qubit with the tunable coupling strengths between each resonator and the qubit. According to the studying of this project, we are striving to make the theoretic contribution to the large-scale and fast quantum computation on superconducting quantum system.

量子计算能解决部分经典计算无法解决的难题。在用于实现量子计算的系统中，超导量子电路因其很好的可集成性和可操控性而广受关注，是当今量子计算研究热点之一。基于超导量子系统的量子计算的研究主要分为基于超导量子比特和基于超导谐振腔两种。基于超导比特的量子计算已经获得了长足发展，但为了实现基于超导比特的大规模快速容错量子计算，普适量子门的操作时间还需要进一步缩短。基于一维超导谐振腔方面的研究尚处于起步阶段。本项目主要致力于基于超导系统的快速量子计算研究，具体研究内容包括：1，寻找新的效应来构建基于超导比特的更快速普适量子门；2，寻找能有效集成多个高品质一维超导谐振腔的集成方式，并在其中构建基于超导腔的快速多比特普适量子门；3，设计具有更高品质因子的一维超导谐振腔以及新的量子线路，使得超导比特能与多个超导腔同时耦合，且耦合强度分别可调。通过本项目的研究，力争为高集成快速超导量子计算做一些理论上的贡献。

超导量子线路因为其良好的可集成性和可操控性成为最有可能实现量子计算机的平台之一。但现有的基于超导量子线路的通用量子计算实现方案中，普适量子逻辑门的保真度、操控时间以及在大规模集成时量子器件之间串扰的影响尚不能满足大规模通用量子计算的需要，也就暂时无法实现真正意义上的通用量子计算机。所以在该系统上讨论和研究各种集成方式下高保真度快速普适量子逻辑门的构建以及寻找新的集成方式以尽可能避免量子器件的串扰问题是非常有意义且可行的工作。此外，各种量子系统耦合的杂化系统也因为融合了各系统的优点成为了实现量子计算机的研究热点之一。. 本项目中我们对基于超导量子比特的快速量子逻辑门构建、基于远距离超导量子比特的纠缠产生和普适量子门构建、能有效集成大量高品质超导谐振腔系统的设计、以及在杂化系统中构建基于拥有长退相干时间量子装置的纠缠与普适量子门进行了研究，取得了一些创新性的成果：（1）在两个超导transmon量子比特同时与一个超导谐振腔强耦合的系统中，将基于超导比特的受控相位门在保持操作高保真度的同时将操作时间缩短到10纳秒以内，是相同装置中其它受控相位门方案完成时间的四分之一到十分之一。（2）首次提出了基于距离达到米量级的超导比特的全共振纠缠产生和普适量子逻辑门构建方案，为基于超导量子线路的分布式量子计算的实现提供了理论基础；（3）首次给出新的能够有效集成大量高品质因子超导谐振腔的集成方案并给出了腔之间纠缠产生方案；（4）构建了基于多个非局域超导谐振腔的多个纠缠态同时产生方案；（5）首次提出基于声波谐振器的纠缠NOON态产生方案；（6）在两个NV-center与一个纳米机械悬臂谐振器耦合的系统中给出了基于NV-center的两比特普适量子逻辑门的构建方案。. 在本项目研究过程中，已完成标注本项目资助的论文7篇，其中3篇分别在二区期刊New Journal of Physics和Annalen der Physik上发表。3篇在三区期刊Quantum Information Processing上发表。1篇待投。