基于超导约瑟夫森结的双路径量子纠缠微波信号研究进展

量子纠缠微波信号是微波频段的连续变量纠缠态,在固态量子信息处理、量子计算机和量子通信等领域有巨大的应用前景。在超导条件下利用泵浦信号驱动约瑟夫森结可以产生纠缠微波。简述了约瑟夫森参量放大器、约瑟夫森环形调制器和约瑟夫森混合器3种参量设备,介绍了2种基于超导约瑟夫森结的双路径量子纠缠微波生成方案,比较了它们的异同,并指出了目前存在的问题,预测了纠缠微波未来的研究方向和发展趋势。

交流约瑟夫森电压合成装置的研究

设计制作了一套交流约瑟夫森电压合成装置（JAWS），能够驱动1VSINIS型可编程约瑟夫森结阵合成峰值1．2V、200Hz以下频率的交流量子电压。实验结果表明，该装置能够合成200Hz以下频率的交流量子电压，且合成印Hz交流电压的不确定度优于5x10^-6，为进一步开展我国首个交流量子电压基准的研究工作奠定了基础。

超导量子计算约瑟夫森参量放大器的基本工作原理

约瑟夫森参量放大器是超导量子计算实验的关键,本文介绍其基本物理原理并对约瑟夫森参量放大器的器件物理特征、实现设计、发展变形作一详细的讨论,基于实际的实验经验,给出一套行之有效的约瑟夫森参量放大器最佳工作点的确定方法。本文有助于对超导量子计算感兴趣的读者全面掌握超导量子计算的实验方法与系统组成,同时对极低温信号放大器的设计有一定的参考意义。

一种可程控约瑟夫森直流电压标准装置

在直流电压量值体系中,约瑟夫森直流电压标准已经成为我国电压单位(伏特)复现的基准,利用约瑟夫森效应,直流电压单位直接溯源到频率和约瑟夫森常数KJ-90。本文介绍了约瑟夫森结的结构原理,以及一种可程控约瑟夫森电压标准装置的工作原理和特点。在直流电压-10～+10V测量范围内,可以用于检定校准固态电压标准器、标准电池和直流分压器,也可以输出约瑟夫森直流电压,用于校准数字电压表10V以下量程以及线性度。

超导约瑟夫森结直流I-V曲线的数值计算

基于超导约瑟夫森结的RCSJ模型的解析式为一非线性的二阶微分方程,对于该微分方程直接求解析解比较困难,故采用四阶龙格库塔法进行数值计算求解。经反复调用龙格库塔函数可得出约瑟夫森结的I-V曲线。并且,对这一求解过程及其关键部分进行了阐述,数值计算结果定性地解释了实验结果。

高温超导约瑟夫森结阵列的相位锁定

根据交流约瑟夫森效应,研究了嵌入Fabry-Perot谐振腔里的约瑟夫森结阵列在微波辐照下的相位锁定问题。结阵列是由生长在双晶钇稳定氧化锆(YSZ)基片上的YB2Cu3O7(YBCO)超导薄膜光刻成微桥得到的。通过优化设计,在温度为79.2K辐照频率为77.465GHz的条件下,包含620个串联约瑟夫森双晶结的结阵列在外加微波辐照下实现了相位锁定,得到了陡峭的夏皮罗台阶。其第一级夏皮罗台阶的电压约为0.1V,台阶高度约为0.17mA。试验结果表明,这种结阵列结构在电压基准的应用上有极大的优势,而且这种准光学耦合方法在太赫兹信号发生和检测方面有很好的应用前景。

含约瑟夫森结电路的特性分析和研究

提出了超导约瑟夫森结模型(并联电阻-电容结模型),给出了约瑟夫森效应的一些重要结果。在分析约瑟夫森结电路方程时,研究了其中出现的混沌特性和子台阶现象。计算获得的结果对混沌数字通信和超导电子学的应用将起到重要作用。

利用一种改进模型研究谐振器耦合时的约瑟夫森结的响应(英文)

提出了一种改进的谐振器耦合时的约瑟夫森结模型,模型考虑了结与谐振器之间的耦合强度。利用这种模型,研究了谐振器耦合时的约瑟夫森结的响应,包括单结的电压自锁定和结阵列的相位互锁定现象。研究了耦合强度、谐振器的品质因数和谐振频率对电压自锁定的影响,并给出了合理的解释。此外,还对结阵列的相位互锁定强度对锁定电压和结数量的依赖关系进行了研究,并与理论值进行了比较。所得结果对谐振器耦合下的约瑟夫森结的应用具有指导意义。

约瑟夫森器件的量子光学与左手性质理论研究

左手材料是一种由亚波长尺度微结构构成的人工材料，其对电磁场的响应表现出左手性质（能流与波矢方向相反，表现出负折射率）。左手材料已经引起了物理和材料科学领域的广泛关注。目前的左手材料一般是由金属器件（如金属直导线和开口谐振环（SRR）等）构成。这种材料的结构单元为宏观尺度，通常条件下没有量子效应，因此我们称其为“经典左手材料”。我们最近提出了一种具有量子属性的新型左手材料-“约瑟夫森器件左手材料”。这种材料由带有约瑟夫森结的超导器件阵列构成，一方面具有左手材料的性质（负的介电常数和负的磁导率），另一方面又与普通左手材料不同，这种材料的结构单元对电磁场的响应由量子力学支配，整个材料具有新的物理性质，因此我们称其为“量子左手材料”。

约瑟夫森效应的探讨

超导电性是宏观量子现象。本文介绍了超导电性基本现象之一的约瑟夫森效应,对直流和交流约瑟夫森效应的原理进行了深入探讨,最后对其应用作了简要说明。

基于约瑟夫森量子电压的交流功率测量系统及方法研究

基于约瑟夫森量子电压标准设计了交流功率差分测量系统。通过分析差分采样系统的误差分布及误差传递函数,提出换向差分测量方法,减小了差分采样系统的增益误差,提高了电压幅值测量准确度;通过分析衰减系数η,证明了采用换向差分测量较容易实现10-7量级电压幅值测量。通过评估差分采样系统零相位,结果证明了差分采样系统具有较好的相位测量稳定性。分析了交流功率差分测量系统的不确定度分量,评估了功率因数为1.0,0.5 L和0.5 C时的功率测量不确定度,通过与国家交流功率基准装置进行实验比对,证明了基于约瑟夫森量子电压交流功率测量系统不确定度评估的合理性。

建立新一代约瑟夫森电压基准——正弦量子电压信号的合成

利用SINIS型约瑟夫森结阵建立的新一代约瑟夫森电压基准可以合成动态电压信号,论文研究了交流量子电压的合成方法,研制了用于合成交流量子电压的SINIS结高速驱动装置,深入分析了合成交流量子电压的误差及测量不确定度。实验结果表明,目前合成1 V峰值60 Hz频率的交流电压,其有效值的测量不确定度优于2×10-6量级。用SINIS结高速驱动装置合成的交流量子电压具有很好的稳定性和良好的不确定度指标。交流量子电压的成功合成填补了国内该研究领域的空白,为进一步建立我国首个交流量子电压基准奠定了良好基础。

含无损传输线的约瑟夫森结电磁系统中的分岔与混沌

建立了含无损传输线的约瑟夫森结电磁系统左端点处电压正向行波分量的一维Poincaré映射模型,运用非线性动力学理论分析了映射定点的稳定性.通过数值计算得到了映射随电压反射系数变化的分岔图,详细分析了系统随参数变化的动态演化过程.结果表明在一定参数条件下,该电磁系统中存在着分岔、混沌、周期吸引子共存、混沌吸引子共存以及周期与混沌吸引子共存等复杂的非线性动力学行为.

约瑟夫森结跳变电流统计分布测量系统

本文详细介绍了一种通过对时间的测量来获得单个约瑟夫森结(JJ)跳变电流统计分布P(I)的测量系统,包括致冷系统和测量方案.我们还在测量电路中采取了电磁屏蔽、低通滤波、接地等一系列的降噪措施,使得实验所能测量到的约瑟夫森结的最低等效温度进一步的降低至300mK.

约瑟夫森结的电感效应及新型可调谐滤波器

通过WINS软件模拟,我们研究了处于直流零电压状态的约瑟夫森结的电感效应。对于Ic=0.1mA的约瑟夫森结,当把它偏置在0.08mA时,相当于一个5.46pH的电感。同时我们模拟出约瑟夫森结等效电感值随偏置电流变化的关系曲线。利用这一效应,设计并模拟了一种新型的5阶超导可调谐滤波器,其中心频率从600MHz到750MHz连续可调,带宽为50MHz,插入损耗小于0.3dB,带外抑制大于40dB,矩形系数优于0.5。这种滤波器适于集成化,在通信系统中具有重要的应用价值。

含有超导约瑟夫森结介观互感电路的量子化及其量子效应

给出了含有超导约瑟夫森结的介观互感电路的量子化方案,借助于压缩幺正变换求出了体系的能级以及基态矢量,研究了体系中结端"过剩电荷"(excess charge)与相位差在基态下的量子涨落。结果表明,体系的基态为一旋转的两单模压缩真空态。

硼膜制备工艺、微观结构及其在硼化镁超导约瑟夫森结中的应用

MgB_2材料具备临界转变温度较高、相干长度大、临界电流和临界磁场高等优点,被认为有替代Nb基超导材料的潜力.研究了不同温度下以化学气相沉积法制备的硼(B)薄膜的微观结构.实验结果表明:较低温度沉积的B先驱薄膜为无定形B膜,可以与Mg蒸气反应生成MgB_2超导薄膜;当沉积温度高于550?C时,所得硼薄膜为晶型薄膜;以晶型硼薄膜为先驱膜在镁蒸气中退火,不能生成硼化镁超导薄膜.利用晶型B膜的这一特点,成功制备了以晶型硼薄膜为介质层的硼化镁超导约瑟夫森结.

约瑟夫森结阵器件的研究进展

介绍了约瑟夫森效应在电压基准方面的应用，综述了目前国内外对用于电压基准的约瑟夫森结阵的研究和发展过程，重点介绍了国内用于电压基准的Nb／Nb，Si1-x／Nb单结的研究进展。

约瑟夫森结在射频辐照下的亚谐波台阶仿真研究

利用PSp ice软件,采用电路仿真的方法深入研究了约瑟夫森结在射频辐照下的I-V特性,观察到了亚谐波台阶的存在,得出了台阶高度与射频电流幅度的关系,结果对于约瑟夫森结在电压标准和射频检测等方面的应用有重要的参考价值。

8mm波段Fabry-Perot谐振腔及其在约瑟夫森结特性测量中的应用

通过三维电磁仿真技术设计并制作了8mm波段Fabry-Perot谐振腔,并建立起一套Fabry-Perot谐振腔高温超导约瑟夫森结特性测试系统.用它测量了Tl2Ba2CaCu2O8(Tl-2212)高温超导薄膜双晶约瑟夫森结的毫米波辐照特性,得到高质量的夏皮罗台阶,并与在U形波导测试系统中测得的结果进行了比较,发现利用Fabry-Perot谐振腔测量技术可显著提高外加电磁场与约瑟夫森结的耦合效率,为进一步研究毫米/亚毫米波信号检测、THz波信号源等研究打下坚实的基础.