超导单磁通量子数字电路的全加器设计与应用探索

随着超导单磁通量子(Single Flux Quantum,SFQ)数字电路的集成度规模不断提升,基于SFQ标准单元库及知识产权(Intellectual Property,IP)电路的设计将会逐渐取代原有的专用定制化数字电路设计的方式.与此同时,IP电路也可以作为新设计方法研究和新工艺及单元库可靠性的验证电路.本文选择大规模数字电路中的基础运算单元全加器为研究对象,希望能在尚在开发中的工艺下得到一个更加稳定工作和完整测试功能的全加器.本文基于自研SIMIT Nb03工艺上开发的SFQ单元库,设计了两种类型的全加器,且实现了全加器逻辑功能和工作性能的低频与高频测试表征.本文的第二种单级型全加器跟同类型的其他全加器相比,在保证了结数量和面积消耗偏小的优势下,又减少了设计难度和便于灵活扩展,使得其在电路IP化使用中也具有指导意义.低频测试结果表明,两种全加器均正确工作,其中单级型全加器具备良好的工作阈值.该款全加器的高频测试显示电路最高工作频率可达22 GHz.本文对测试结果进行详细分析,并基于此针对大规模电路实现开展简单应用探索.

多个超导磁通量子比特的可控耦合

通过在两个或者三个超导磁通量子比特中插入一个耦合线圈,使得超导磁通量子比特与线圈有一个强的相互作用。耦合线圈的磁通直接影响两个超导磁通量子比特的耦合强度J,因此可以通过对线圈磁通的控制来调控超导磁通量子比特的耦合强度J。

超导磁通量子比特中的共振隧穿现象

在20mK的低温下,在由Nb/AlOx/Nb结构成的磁通量子比特样品上,通过初态的制备,成功观测到了双势阱中的共振隧穿现象。这一现象在不同的势垒高度下,都得到了证实。通过对共振峰随时间演化的测量,发现其演化受到隧穿概率与分布概率的影响。

用Josephson结电子模拟器测量磁通量子2e/h

介绍用 Josephson结电子模拟器在正常温度下 ,模拟测量磁通量子 2 e/ h,用模拟器来研究 Josephson结的特性 .该实验可作为普通物理实验中课题设计实验的一个内容 .

射频超导量子干涉器的外磁通调制测量磁通量子

在外磁通作用下射频超导量子干涉器（ＲＦＳＱＵＩＤ）超导结两边量子相位差受到调制．干涉器吸收谐振回路能量的同时也影响谐振回路．回路输出电压与外磁通为三角波曲线关系，再受静磁场作用时曲线移动，据此可测磁通量子．

超导磁通量子比特的性能表征

采用超导电路实现的量子计算近十几年来发展迅速,目前已经实现了质因数15的分解、高保真度的单和双量子比特等等。为实现量子计算,采用正交剥离自对准工艺,制备了射频超导量子干涉器件(rf-SQUID)结构的超导磁通量子比特芯片。在稀释制冷机mK温度下,对其基本结构参数进行了表征,并通过理论分析、软件仿真验证了测试结果。此外,还分析了测试系统的噪声性能,对可能的噪声源进行了消除。最后,通过量子比特初态的制备,观测到了双势阱能级间的共振隧穿现象。

相干脉冲下磁通量子比特的几何量子计算

首先计算了旋转磁场下自旋1/2粒子的绝热几何相位。用微波电流脉冲控制量子比特,导致量子比特里产生振荡的磁场。这个效应可以通过一个扰动的哈密顿量增加到总哈密顿量里,对哈密顿量进行旋转变换,得到磁通量子比特哈密顿变化的总效果类似于一个自旋1/2粒子在旋转磁场中的行为,进而计算出相干脉冲下磁通量子比特的几何相位,给定参数得到单比特量子逻辑门。最后简述了基于几何相位设计两比特受控非门。

三结磁通量子比特中处于亚稳态粒子的热逃逸和量子隧穿

运用热力学统计中Kramers理论和Wentzel-Kramers-Brillouin(WKB)近似理论,分析了三结磁通量子比特中处于亚稳态粒子的热逃逸和量子隧穿逃逸。在0.01～4.2K温度下,计算出了粒子的逃逸率,得到了跳变磁通随磁场和温度变化的分布规律,并同两结超导干涉仪的分布规律进行了定量比较。结果显示,三结磁通量子比特自身噪声比两结超导干涉仪大。

RF SQUID磁通量子计数方法

SQUID(Superconducting Quantum Interference Devices)是目前已知灵敏度最高的磁传感器,利用其研制的超导磁力仪可应用于生物磁测、无损探伤及地球物理磁法勘探中。SQUID通常工作在零磁通闭环锁定跟踪状态,采用超导磁力仪灵敏度高但测量范围有限,难以实现野外运动式测量工作。为弥补传统超导磁力仪测量范围小的不足,本文开展了射频(Radio frequency)SQUID磁通量子计数状态判别方法研究。该方法采用频谱匹配技术对计数状态进行校验和确认,以弥补单纯依靠一二次谐波幅值进行状态判别的不足,提高计数的准确性,并拓展超导磁力仪的野外应用范围。

环境对磁通量子比特消相干的影响及对策研究

从经典电路理论出发,得到了磁通偏置超导电路的Bloch-Redfield方程,并在二能级近似下,讨论了不同的环境阻抗及耦合效应对磁通量子比特消相干的影响。结果发现:在一定条件下,消相干时间随耦合强度的增加而减小;环境阻抗为纯电阻时,消相干时间随电阻的增加而增加。环境阻抗由RC电路构成时,不同的电路元件对消相干时间的影响不同。

超欧姆型热库环境下互感效应对磁通量子比特退相干的影响

在二能级近似下运用Bloch-Redfield方程,研究了超导量子电路中的磁通量子比特退相干在超欧姆热库环境下受互感效应的影响。研究结果表明:1)在超欧姆热库环境下,提高环境指标系数有利于延长超导磁通量子比特的退相干时间;2)构建超欧姆型热库环境可以改进固态量子比特的退相干;3)电感元件间的互感耦合对量子电路系统退相干的影响是比较复杂的,调控好电感元件间的互感耦合有利于提高退相干时间。

约瑟夫逊结中磁通量子运动的分析

在有恒定的注入电流和线性损耗的情况下,一维有限长结的约瑟夫逊位相方程为: 其中α为恒定的注入电流密度,以约瑟夫逊电流密度的最大值iJ为单位,γ是无量纲的衰减参量,x和t分别以穿透深度λJ和等离子振荡频率的倒数ωl-1为单位。方程（1）是一个非线性偏微分方程,无法得到严格的解析解。

超导数字快单磁通量子电路应用初探

本文对当前正引起极大关注的新技术 -超导数字电路 ,特别是约瑟夫森效应基础上的 RSFQ逻辑电路工作机理给予了详细说明 ,并举例研究 RSFQ电路“与”门的工作方式 ,对超导数字电路的应用前景进行了展望。

利用超导磁通量子比特对单电子自旋进行单点读出（英文）

提出了一种基于量子非破坏性测量协议利用超导磁通量子比特对单电子自旋进行单点读出的方案.在该协议中,超导磁通量子比特与电子自旋相互作用一段时间,然后通过对其测量来间接得到电子的信息.由于该测量对电子自旋的态是非破坏性的,因此可以利用该超导磁通量子比特对电子自旋进行反复的读出,从而达到一个较高的读出精度.

含互感耦合的超导磁通量子比特消相干的研究

在Born-Markov近似下,根据Bloch-Redfield方程,给出了一种计算超导量子比特能量弛豫时T1与消相干时间T2的方法。在此基础上,研究了一个含互感耦合的超导磁通量子比特的消相干现象,并给出了该超导量子比特能量弛豫时间T1与消相干时间T2。结果表明:对于研究的磁通量子比特,在其他条件不变时且环境热库等效为一个纯电阻时,则去相位时间T,由高能级|j〉向低能级|i〉的能量弛豫时间T1和量子系统的消相干时间T2都与耗散成正比。

利用LC电路耦合多个磁通量子位实现制备Cluster态的有效方案

基于超导LC电路与多个超导磁通量子位的耦合以及可控时变电磁场(TDEF)对器件之间耦合的调控作用,提出了一步制备Cluster态的有效方案,并给出了该方案在实验上可行性的简要分析.

超导弱连接中的Josephson电流在一个磁通量子内的振荡(Ⅰ) Josephson结

本文指出如果Josephson结处在Q值足够高的谐振腔内,当Josephson频率ω=2eV_0/h与谐振腔的本征频率ω_r发生谐振时,谐振的电磁场对Josephson结自身的反馈作用将导致超流电流在一个磁通量子内随磁场的小周期振荡。

超导磁通量子比特的可控耦合的几何相位

几何相位是量子力学中的一个重要概念,通过使用Lewis-Riesenfeld不变理论,我们提出了超导磁通量子比特的可控耦合的几何相位。

超冷原子与磁通量子相遇

在混合量子系统中,不同的子系统（例如,超冷原子子系统和超导电路子系统）相互耦合,它们各自优势的结合有可能发展出新的应用。最近,德国图宾根大学的Patrizia Weiss和他的同事已经在相关实验中取得了进展。他们使用超冷原子云检测附近超导环内的离散磁通量子。研究人员说,这样的结果可能会导致新型的量子信息器件。

快速单磁通量子伪随机码发生器

讨论了快速单磁通量子（ＲＳＦＱ）电路的基本原理和特性．对伪随机码发生器相关的非门、异或门、移位寄存器等３个ＲＳＦＱ逻辑门电路进行了设计，给出了它们的工作原理和特性．对ＲＳＦＱ伪随机码发生器进行了仿真计算，并与ＭＡＴＬＡＢ建立的数学模型的模拟结果相比较，表明设计是合理的，达到了预期的效果．