两个耦合约瑟夫森结磁通量子比特能级的研究(英文)

研究了两个(?)_(1z)(?)_(2z)Ising型耦合量子比特的能级,这是一种典型的赝自旋约瑟夫森结比特模型。论述了两个磁通量子比特通过耦合可以构成量子力学四能级系统;研究了两量子比特间主要因子含能量差ε,隧穿幅度t和耦合因子j(包括耦合强度和耦合方向)对能级的影响。结果表明:对于由两个相同量子比特构成的系统,在Φ=(1/2)Φ处,不仅两抗铁磁态的能级受控于耦合因子,它们之间的跃迁频率也由耦合因子控制。

用约瑟夫森结量子比特制备簇态(英文)

高度纠缠的簇态是一种常见的测量基的量子计算的资源。提出了基于约瑟夫森比特的簇态实现方案。方案简单且易于操作,每个量子比特是通过包括一个超导岛和一个库伯对盒来实现的,任意两个约瑟夫森结量子比特可以通过一个对称的直流射频超导干涉仪相互耦合。通过调节每个实现量子比特的门电压,来设定合适的初态,通过调节系统内相应的参量从而实现一个一个环路的耦合作用,以实现簇态。经过理论推导,方案简便易操作。在现在的技术条件下,方案完全可行。

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.

一种通过约瑟夫森结非线性频率响应确定微波耗散的方法

通过对电流偏置超导约瑟夫森结的微波驱动行为的研究,提出了一个确定约瑟夫森结微波耗散的方法.结的微波耗散由它的品质因子描述.微波耗散严重影响约瑟夫森器件如参量放大器、超导量子比特等的性能.对电流偏置的约瑟夫森结势阱采用四阶近似后,可以得到在较强微波驱动下约瑟夫森结非线性微波响应方程.该方程定量描述了非线性共振频率随外加微波功率变化关系:非线性共振频率与结等离子频率的差别依赖于约瑟夫森结的微波品质因子.对电流偏置的约瑟夫森结的微波运动行为进行了数值模拟.模拟结果确证了微波品质因子与非线性共振频率-等离子频率差别的定量关系可以应用于约瑟夫森结中.用这种非线性频率响应方法来确定约瑟夫森结的微波耗散没有严格的温度要求,可在单个电流偏置的结中完成,实验上具有简单可靠性.

实现超导量子比特芯片的微纳加工方法

近年来随着各个科技强国和科技巨头企业的高度重视,超导量子计算技术发展迅速,在不到10年的时间内单个超导量子比特的退相干时间增长了5个数量级,从纳秒提高到了百微秒的量级,并有望提高到毫秒量级甚至秒的量级。超导量子比特芯片的制备是实现超导量子计算的基础,作为“物理前沿介绍——超导量子计算”系列的第六篇,本文系统阐述制备超导量子比特及其辅助器件芯片的微纳加工方法,并对制备方法的发展趋势作展望。通过本文,旨在帮助广大高校物理专业教师、高年级本科生、研究生以及对超导量子计算感兴趣的理工科背景读者系统了解实现超导量子比特芯片的微加工方法与工艺,全面地、实物化地理解超导量子计算技术。

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。

电容耦合电荷量子比特的调控及纠缠特性

借助于狄拉克的正则量子化原理,对电容耦合的双约瑟夫森结电荷量子比特体系实施量子化。考虑到平行于约瑟夫森结面的磁场对结电流的影响,提出了一种新的电荷量子比特的调控方法,并且讨论了外加磁场作用下体系量子态时间演化的拉比振荡现象及纠缠特性。结果表明,利用该体系可以制备纠缠态,改变外加磁通Φ_1和Φ_2的大小能够实现对电荷量子比特及其纠缠态的有效调控。

噪声对超导量子比特测量系统的影响

详细介绍了噪声对超导量子比特测量系统的影响。测量系统通过对时间的测量来获得单个约瑟夫森结跳变电流统计分布P(I)。在测量电路中采取了一系列的降噪措施,使得实验所能测到的约瑟夫森结的最低等效温度进一步的降低。

超导量子比特谱

时间晶体的首次构造成功使人们意识到超导量子计算以其拥有的诸多优点在物理学前沿问题的研究应用上走在了其他量子计算方案的前面。作为“物理前沿介绍———超导量子计算”系列的第三篇,本文系统阐述多种超导量子比特的基本组成以及其物理特征,给出一个超导量子比特的“谱”并对新近发现的研究结论和新近提出的设计方案进行讨论,最后对超导量子比特全新设计进行展望并提出一种3D nSQUID设计设想。本文旨在帮助广大高校物理专业教师、高年级本科生、研究生以及对超导量子计算感兴趣的理工科背景读者系统了解不同的超导量子比特设计与特性,同时也有益于专业从事超导量子计算的专业科研人员开阔超导量子比特的设计思路。

超导电荷量子比特研究综述

随着量子计算机以及量子算法的提出,人们开始寻找可以实现量子计算机的真实物理体系。超导量子电路以其丰富的可设计性和优良的易集成性成为最有潜力实现量子计算机的人造量子体系。文章介绍了超导电荷量子比特的基本原理、超导电荷量子比特的耦合以及耗散和退相干问题,展望了超导电荷量子比特在量子计算和量子信息科学中的应用前景。

基于偏差的李雅普诺夫方法超导量子比特系统调控

应用李雅普诺夫控制理论,对含约瑟夫森结电荷量子比特系统的状态实施了有效调控。数值仿真表明:对超导电荷量子比特系统,采用基于偏差的李雅普诺夫控制方法,不管是间接还是直接调控形式,选取适当的控制幅度可以达到对量子系统的调控目的;并且增大控制幅度,得到的控制函数曲线更平滑,完成控制任务需要的时间越短。这种控制方法避免了传统控制方法所需要的复杂的迭代计算,可以确保量子系统的稳定。因此,李雅普诺夫方法是一种具有一定实用意义的调控方法。

超导量子比特中的量子跳跃方法

量子力学自建立以来很长一段时间被当作是描述系综运动的理论。但是上世纪80年代对囚禁离子和原子的研究观测到了量子跳跃现象,迫使人们发展了一些能够用于单量子系统的方法,其中之一就是量子跳跃方法。本文总结了我们近来把量子跳跃方法应用到以约瑟夫森隧道结为基础的超导量子比特的工作。我们不但实验观测到宏观量子系统中的量子跳跃,还可以利用量子跳跃现象来研究固体中普遍存在的两能级系统及其引起的超导量子比特中的退相干。

基于微波源与矢量网络分析仪的量子比特的表征

超导量子计算是目前最有希望实现量子计算机的方案之一。其中,超导量子比特是超导量子计算机的核心单元,量子比特的性能的好坏就直接影响量子计算的可操作性。所以,对量子比特的基本参数的表征就异常重要。基于微波源与矢量网络分析仪的量子比特的表征,有快速准确等优点。本文主要介绍其表征方法及实验。超导量子比特一般由无损耗的电路元件,包括电容、电感和约瑟夫森结组成,一个典型的电路结构如图1所示。其原理:①通过调整各电路参数的相对大小,可以设计出不同的哈密顿量。

量子计算与超导量子计算机

量子计算是一种基于量子力学相干叠加原理的新型计算体系,具有超越传统计算体系的优越性能。超导量子计算因为其在规模可扩展性方面的潜力而得到广泛的重视。超导约瑟夫森结是超导量子计算机方案中的关键器件,可用来控制超导体中的宏观波函数。阐述了量子计算的发展和优势,介绍了约瑟夫森结的原理以及三种超导量子比特的特性,并分析了面临的挑战。

超导电路的量子化方法

超导量子计算是当下世界范围内被广泛关注的研究课题之一,近年来许多文献报道了利用超导量子比特对特定物理过程的研究和仿真,在新近的一些工作里其应用范围已经超出了物理学研究范围,在化学、信息学等领域也得到了很好的结果。超导量子计算器件首先要对超导电路进行量子化。本文针对超导量子计算芯片(量子比特)中的超导电路总结了一套规范、实用的量子化方法,并以此方法对位相量子比特超导电路进行了量子化并给出了其哈密顿量。本文思路与方法对新型量子比特或其他超导电路的设计与研究也有一定帮助。

利用Peres判据测量混合态量子系统的纠缠

量子纠缠是量子信息和量子计算的关键资源,研究初态为混合态的电荷量子比特与单模量子化光场之间的纠缠,根据Peres的可分离态的密度矩阵部分转置正定(PPT)判据,测量系统的纠缠并观察初态的混合度λ和失谐量Δ对系统纠缠随时间演化的影响。

超导与量子计算

基于量子力学态叠加性和纠缠性的量子计算,以其指数级增长的庞大计算空间和更高级的信息抽象能力,为计算提供了新的范式。这一新技术有可能解决一些经典计算无法解决的计算难题,同时解决经典计算的功耗问题。超导效应作为一种宏观量子效应,为量子态相干操控提供了绝佳的无损耗环境,而约瑟夫森结为构建量子比特提供了必要的能级分立性和非线性。经过二十余年的高速发展,基于超导量子电路的量子计算技术已经在退相干时间、量子态操控和读取、量子比特间可控耦合、中大规模扩展等关键技术上取得大量突破,成为构建通用量子计算机和量子模拟机最有前途的候选技术路线之一。文章就这一技术做一个简要的介绍和梳理,以令读者了解整个技术脉络为目标,尽可能不涉及复杂的符号和公式。最后,还简要讨论了超导量子计算发展的未来,并指出其中部分关键技术难点。

宏观共振隧穿的新进展及其在量子信息处理中的应用(英文)

从量子力学诞生以来,关于宏观物体的运动是否遵循量子力学的辩论就一直没有停止过。上世纪八十年代初期以来,一系列在约瑟夫森结和超导量子干涉器件(SQUID)中观测到的实验结果,包括相位和磁通的宏观量子隧穿,能级量子化,宏观共振隧穿,和在微波驱动下的相干动力学过程对认为宏观物体的运动在满足一定条件下同样遵循量子力学规律的观点提供了强有力的实验证据。在众多已观察到的宏观量子现象中,宏观共振隧穿结合了能级分立和隧穿这两个最具特征的量子现象。由于宏观共振隧穿的观测无需使用高频电磁波激发,这就避免了实验结果也可以用经典物理解释的可能,所以在一个系统中观测到宏观共振隧穿可以说是展示该系统的量子属性的最有力证据。本文讨论近年来从理论和实验两方面理解耗散和磁通噪声对类似SQUID的双势阱系统宏观共振隧穿率和谱线形状的影响。评述宏观共振隧穿谱的测量在探寻、理解、克服超导磁通量子比特中的退相干机制并最终实现规模化量子计算方面的应用。

加拿大D-Wave系统公司开发量子计算机取得突破

加拿大D-Wave系统公司近日宣布成功开发世界上第一台量子计算机工作模型机，并完成了样机的测试工作。处理器的测试包含了128超导磁量子比特和2．4万个约瑟夫森结装置，使其成为目前世界上最复杂的超导电路，相应的论文发表于今年5月出版的《自然》杂志。

超导量子计算：长退相干量子比特发展之路

超导量子计算是基于约瑟夫森结电路的固态量子计算技术方案.由于其易于扩展、耦合与操控等特点,已成为最有可能实现实用量子计算机/模拟机的候选方案之一.由于固态器件复杂的电磁环境,超导量子比特一直受到退相干时间不足的制约.本文简要介绍了超导量子比特的基本结构并重点论述了近期发展出的几种新型长退相干时间超导量子比特,包括Transmon/Xmon,Fluxonium和C-shunt Flux qubit等,整理了这几个不同设计方案在抑制电荷、磁通和准粒子等几种主要噪声来源方面做出的探索和贡献.最后,对几种主要的设计思想做了简要的归纳总结,以期对未来进一步发展提供参考和依据.