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。

浅谈超导量子比特封装与互连技术的研究进展

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。在介绍超导量子比特原理的基础上,结合自主创新成果,对国内外超导量子比特封装与互连技术的发展进行评价,并重点探讨了超导量子比特三维集成封装解决方案以及与外部稀释制冷机测控线路的高密度互连方案,为尽快缩小与国外超导量子计算机的差距提供超导量子比特封装与互连技术支撑。

超导量子比特首次通过贝尔测试

据报道,贝尔测试可确认两个系统是否真的发生了纠缠。瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)科学家在最新一期《自然》杂志上刊发论文称,他们首次证明,相距30 m的两个超导电路通过了这一量子领域的关键测试,证明超导电路中的量子比特之间的确发生了纠缠。为了使贝尔测试真正没有漏洞,研究团队必须确保在量子测量完成前,两个纠缠电路之间不能交换任何信息。

我国科学家成功制备并验证51个超导量子比特的真纠缠

据报道,近日,来自中国科学技术大学等单位的研究人员成功实现51个超导量子比特簇态制备和验证,刷新了所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录,并首次演示了基于测量的变分量子算法。相关研究成果2023年7月12日在线发表于《自然》杂志。超导量子计算被普遍认为是最有可能率先实现实用化量子计算的方案之一,因而备受关注。作为量子计算的基本单元--量子比特不同于非“0”即“1”的经典比特,它可以“同时”处于“0”和“1”叠加态,即所谓“量子相干叠加态”。

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。

铌基超导量子比特及辅助器件的制备

近年来超导量子计算的研究方兴未艾,随着谷歌宣布首次实现“量子优势”,这一领域的研究受到了人们进一步的广泛关注.超导量子比特是具有量子化能级、量子态叠加和量子态纠缠等典型量子特性的宏观器件,通过电磁脉冲信号控制磁通量、电荷或具有非线性电感和无能量耗散的约瑟夫森结上的位相差,可对量子态进行精确调控,从而实现量子计算和量子信息处理.超导量子比特有着诸多方面的优势,很有希望成为普适量子计算的核心组成部分.以铌或其他硬金属(如钽等)为首层大面积材料制备的超导量子比特及辅助器件(简称铌基器件)拥有其独特的优点以及进一步发展的空间,目前已引起越来越多的兴趣.本文将介绍常见的多种超导量子比特的基本构成和工作原理,进而按照器件加工的一般顺序,从基片选择和预处理、薄膜生长、图形转移、刻蚀和约瑟夫森结的制备等方面详细介绍铌基超导量子比特及其辅助器件的多种制备工艺,为超导量子比特的制备提供一个可借鉴的清晰的工艺过程.最后,介绍若干制备铌基超导量子比特与辅助器件的具体例子,并对器件制备的工艺与方法的优化做展望.

新型超导量子比特及量子物理问题的研究

近年来,超导量子计算的研究有了很大的进展.本文首先介绍了nSQUID新型超导量子比特的制备和研究进展,包括器件的平面多层膜制备工艺和量子相干性的研究.这类器件在量子态的传输速度和二维势系统的基础物理问题研究方面有着很大的优越性.其次,国际上新近发展的平面形式的transmon和Xmon超导量子比特具有更长的量子相干时间,在器件的设计和耦合方面也有相当的灵活性.本文介绍了我们和浙江大学与中国科学技术大学等单位合作逐步完善的这种形式的Xmon器件的制备工艺、制备出的多种耦合量子比特芯片,以及参与合作,在国际上首次完成的多达10个超导量子比特的量子态纠缠、线性方程组量子算法的实现和多体局域态等固体物理问题的量子模拟.最后介绍了基于这些超导量子比特器件开展的大量的量子物理、非线性物理和量子光学方面的研究,包括在Autler-Townes劈裂、电磁诱导透明、受激拉曼绝热通道、循环跃迁和关联激光等方面形成的一整套系统和独特的研究成果.

基于超导量子比特网络的Grover搜索算法实现方案(英文)

提出一个改进超导电路结构,此结构能实现量子计算所必需的任意两量子比特之间的长程作用,此结构能用目前技术制作.其次,基于此结构提出Grover搜索算法实现的物理方案.由于能实现任意两量子比特之间的控制相位门,所以多比特Grover搜索算法也能实现,从而满足各种量子计算的需要.此方案是一个基于电流控制的超导电荷比特网络结构的Grover搜索算法实现方案.

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。

超导量子比特耦合与测控的物理原理

把多个超导量子比特耦合起来并实现对它们的测控是实现超导量子计算的重要一步。作为“物理前沿介绍——超导量子计算”系列的第四篇,本文系统阐述超导量子比特耦合,操控与测量的物理原理,并给出了一套基本的量子操控与测量的流程。作为例子对新近一些超导量子比特实验的设计方案进行讨论,最后对超导量子比特测控基础表征过程给出统一的流程图,并对超导量子计算进行了展望。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操控与测量超导量子比特的物理原理。

用微波-超导量子比特系统实现一位通用量子逻辑门

该文研究了二能级射频超导量子干涉仪量子比特与经典微波脉冲的相互作用.研究结果表明,当微波场的角频率接近于系统二能级|0〉|1〉跃迁频率时,即ω1-ω0≈ωm,可以得到一位通用量子逻辑门.通过调节控制微波场的角频率ωm,幅度Vm和脉冲作用时间t,可以得到不同的一位量子逻辑门.

超导量子比特

随着2019年谷歌成功实现了“量子优势”,超导量子计算的研究正引起人们更加广泛的关注.超导量子比特是拥有量子化能级、量子态叠加和量子态纠缠等量子力学特性的宏观器件,目前被广泛应用于量子物理、原子物理、量子光学、量子化学、量子模拟和量子计算等诸多领域中.本文将重点讨论位相、电荷、传输子以及磁通型超导量子比特的基本原理及其器件结构,并讨论器件的制备方法和量子态测量技术,最后对基于超导量子比特开展的物理问题的研究做一简单介绍.

基于约瑟夫森器件的超导量子比特

超导量子比特利用了超导约瑟夫森隧道结的非线性效应,采用了半导体集成电路的工艺,以其无能耗,大设计加工自由度,易规模化等优点而倍受注目。本文对超导量子比特的基本原理及发展过程作了简要综述。首先简要回顾了量子计算的历史,然后介绍了超导量子比特的设计及其调控,并对各种超导量子比特的消相干进行了讨论。

超导量子比特的物理实现

量子信息和量子计算有可能给人类带来新的革命性发展.超导量子比特作为实现量子计算的方案之一,以其低耗散,大设计加工自由度,易规模化等优点而备受注目.文中对超导量子比特的基本原理及发展前景作了简要综述,并介绍了作者的研究进展.

微波驱动下超导量子比特与磁振子的相干耦合

实验上展示了钇铁石榴石(YIG)晶体小球中磁振子与超导量子比特的驱动缀饰态之间的相干强耦合,磁振子的加入使得在超导量子比特中形成了双重缀饰态.实验中一个钇铁石榴石晶体小球与一个超导量子比特同时放置在三维谐振腔中,分别通过磁偶极相互作用和电偶极相互作用与谐振腔中的本征场(TE102模式)耦合,并通过腔模作为媒介实现两者之间的有效相干强耦合.给超导量子比特施加一个共振的微波驱动并改变驱动强度,测得耦合系统能级劈裂随驱动强度的变化,并理论上利用粒子-空穴对与玻色场耦合的模型做了计算.在大部分的驱动强度范围内实验结果都与理论计算结果符合得较好,表明驱动下的比特-磁振子耦合系统可以用来模拟粒子-空穴对称对与玻色场的耦合系统.本文使用的混合量子系统为模拟玻色子与费米子的混合系统提供了一个新途径.

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。

二项式光场与负二项式光场对超导量子比特读出电流的影响

研究了二项式态光场和负二项式态光场与耦合超导量子比特相互作用下的超导电流的时间演化规律.研究结果显示:在确定的二项式态或负二项式态光场中,耦合超导量子比特的初始量子态对穿过自身的超导电流的动力学行为几乎没有影响;但光场的量子态,尤其是光场参数对超导电流的动力学行为具有调控作用.因此,通过测量超导量子比特的输出电流,能够探测量子光场的统计性质.

微波驱动超导量子比特产生Greenberger-Horne-Zeilenger态

提出一个基于超导量子比特系统,利用微波驱动交叉共振技术制备GHZ态的方案。本方案操控比传统方案更简单,量子比特始终处于最佳工作点,不需要额外的磁通来调节跃迁频率,避免了频谱拥挤,延长了相干时间。

长寿命超导量子比特芯片突破500μs大关打破世界纪录

2021年9月25日,主题为“智慧·健康·碳中和”的2021中关村论坛在北京举行全体会议。当日,在会议上,北京量子信息科学研究院研究员于海峰发布了长寿命超导量子比特芯片。该成果能使量子比特退相干时间达到503μs,创造了新的世界纪录。在量子物理领域,保持好的量子相干性至关重要。它决定着量子门操控的保真度、量子电路的深度等一系列量子计算机核心性能。延长量子比特的相干时间一直是各国技术竞赛的焦点。在过去十几年内,量子比特的相干时间增长了近5个数量级。北京量子信息科学研究院于海峰科研团队对超导量子比特性能进行深入探索,不断优化材料生长和微加工制备工艺,于2021年5月初成功使量子比特退相干时间达到503μs,打破了2020年3月由美国普林斯顿大学研究组保持的360μs的世界纪录。