谐振器中的超导量子比特和微机械振子耦合系统

Composed of different physical sub-systems,hybrid qubits can take full advantage of each sub-system while avoiding their drawbacks in separate use. Such hybrid qubits are promising in the quantum information processing and have received extensive attention. In this project, we will focus on a coupled system consisting of a superconducting qubit and a micromechanical oscillator in a resonator, including the design of the resonators and the coupled systems inside, the fabrication of the devices and the measurement of the quantum characterisitcs. Several kinds of resonators, superconducting qubits and micromechanical oscillators will be tested with different coupling strength. The scalability of the coupled system will also be investigated. Via the coupling between the micromechanical oscillator and the superconducting qubit in the resonator, we will realize the transferring, converting, storing and retrieving of the quantum states between the sub-systems. This project is useful for not only the fundamental study of quantum mechanics in the macroscopic systems but also the coupling between the superconducting qubits and other qubits and the scalability of the superconducting qubits themselves.

异质量子比特耦合系统，是由不同类型的量子比特相互耦合组成的量子系统，可以充分发挥每种量子比特的优势来弥补各自单独使用时存在的不足。因此，异质量子比特耦合系统受到越来越广泛的关注，在量子信息处理中有着巨大的潜力。在本项目中，我们将对谐振器中的超导量子比特和微机械振子耦合系统开展研究，包括谐振器和其中的耦合系统架构的设计、器件的制备和量子特性的测量，尝试不同形式的谐振器、超导量子比特和微机械振子，尝试不同强度的耦合并将其扩展到多个耦合系统。通过这一项目，我们将实现谐振器中超导量子比特和微机械振子之间的耦合，完成相互之间量子信息的传递、转换、存储和获取。这一项目的开展，一方面可以更好的探索量子力学在宏观系统中的行为，另一方面，将为超导量子比特和其他类型量子比特的相互耦合作用、以及自身的规模化发展提供重要参考。

异质量子比特耦合系统，是由不同类型的量子比特相互耦合组成的量子系统，可以充分发挥每种量子比特的优势来弥补各自单独使用时存在的不足。因此，异质量子比特耦合系统受到越来越广泛的关注，在量子信息处理中有着巨大的潜力。在本项目中，我们对超导谐振器、超导量子比特和微机械振子开展了研究，包括不同架构器件的设计、制备和量子特性的测量。我们获得超导量子比特的诸多量子特性，例如能谱、退相干、双场驱动下的量子行为等等，并利用微波传输线对机械振子和谐振器进行激励和测量，获得了机械振子的振动频率，及其随外加激励变化的情况，并实现了光压控制机械振子的振动频率和微波边带。在此基础上，我们成功制备了超导量子比特和机械振子直接耦合的量子器件，包括一臂悬空的可调3DTransmon以及将真空缝隙电容作为其电容的平面Transmon等量子器件。我们实现了不需要光学谐振腔，即可实现光和微波的相互作用。这些结果对于进一步实现声波、微波、光波、超导量子比特的耦合、信息转递和转换等有着重要意义。