超导量子比特中的两能级系统

量子计算和量子信息处理具有经典计算和经典信息处理无法实现的强大优势，作为一个多领域交叉的重要课题，已成为当前国内外研究的重点和热点。超导量子比特作为固态电路，具有很好的集成性、扩展性、可控性，成为最有可能将量子计算和量子信息处理实用化的物理载体之一。然而，超导量子比特中存在着两能级系统。这些两能级系统对超导量子比特的测量、量子性能等都有着直接的影响。本课题主要通过改变材料、制备工艺、结参数、外界控制参数等，在低噪声、极低温条件下，研究超导量子比特中的两能级系统的特性、两能级系统对超导量子比特性能的影响、超导量子比特和两能级系统两者之间的耦合以及将两能级系统作为一个天然的量子比特来使用等等。开展这一研究，将充分揭示超导量子比特中的两能级系统的成因和物理本质，同时，实现由超导量子比特和其他系统构成新型的异质量子比特系统，另外，对于超导量子比特自身的大规模扩展也将提供重要的参考。

超导量子比特作为固态电路，在集成性、扩展性、可控性上具有很好的优势，成为最有可能将量子计算和量子信息处理实用化的物理载体之一。然而，超导量子比特中存在的微观两能级系统（TLS），对其测量、量子性能等都产生了直接的影响。通过该面上项目的资助，我们研究了超导量子比特中TLS的特性、TLS对超导量子比特性能的影响、超导量子比特-TLS耦合系统的量子特性等。具体包括：1）测量了超导量子比特的能谱，通过理论模型，分析了TLS对超导量子比特能谱的影响，确定了两者之间的耦合方式是横向耦合模式占主导地位； 2）利用微波缀饰态和3个TLS，构建了多量子比特系统，进行了Landau-Zener-Stückelberg量子干涉的研究；3）用新的方法，测量了超导量子比特-TLS耦合系统的纠缠，观察到了纠缠衰减、纠缠死亡和复活等；4）从理论上，分析了TLS和微波场之间的耦合强度对超导量子比特-TLS耦合系统的影响。这一系列的研究，揭示了超导量子比特中的两能级系统的成因和物理本质，同时，实现了由超导量子比特和TLS构成新型的异质量子比特系统，对于超导量子比特自身的大规模扩展提供了重要的参考。