【摘要】：超導(dǎo)量子計(jì)算是最有希望實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的方案之一。近些年來,在理論以及實(shí)驗(yàn)方面,超導(dǎo)量子器件發(fā)展迅速。目前超導(dǎo)量子計(jì)算正在向更高質(zhì)量、更多比特?cái)?shù)目的方向發(fā)展。本人自博士入學(xué)以來,開始學(xué)習(xí)超導(dǎo)量子比特的理論以及實(shí)驗(yàn)技術(shù),并搭建了超導(dǎo)量子比特的實(shí)驗(yàn)軟硬件平臺(tái)。在博士期間,本人主要研究超導(dǎo)相位量子和transmon型量子比特的實(shí)驗(yàn)測(cè)控以及芯片設(shè)計(jì)。由于良好的相干性能,transmon型量子比特得到了廣泛的使用。本文主要包括了以下內(nèi)容:1.簡(jiǎn)要介紹了量子計(jì)算的發(fā)展歷史以及量子算法。對(duì)于量子計(jì)算中的基本概念以及實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理平臺(tái)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。著重介紹了超導(dǎo)量子計(jì)算的發(fā)展歷史、國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平以及今后的發(fā)展方向與趨勢(shì)。2.介紹了超導(dǎo)量子計(jì)算的基本理論,簡(jiǎn)單說明了電路量子化的過程。介紹了 circuitQED的基本理論,尤其是處于色散區(qū)域時(shí)的行為。針對(duì)transmon型量子比特,分析了其能級(jí)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方法、讀取方式與耦合形式。特別地,我們分析了 transmon的量子相干性與電路參數(shù)、結(jié)構(gòu)的關(guān)系。最后簡(jiǎn)要說明了超導(dǎo)量子計(jì)算的基本芯片設(shè)計(jì)。3.從低溫硬件、常溫硬件與計(jì)算機(jī)軟件三個(gè)方面對(duì)超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行說明。低溫硬件方面,包括了稀釋制冷機(jī)的原理介紹以及低溫線路的配置。結(jié)合影響transmon相干性的因素以及調(diào)控讀取方法,我們對(duì)低溫線路進(jìn)行詳細(xì)分析,并給出實(shí)際的線路配置。基于transmon的調(diào)控需求以及技術(shù)手段,我們搭建了常溫硬件設(shè)備。在軟件層面,我們基于LabRAD系統(tǒng),構(gòu)建了可擴(kuò)展的量子比特調(diào)控軟件平臺(tái)。4.介紹了 xmon型量子比特的基本參數(shù)標(biāo)定以及調(diào)控方法。這些參數(shù)包括了讀取腔的頻率、Q值,比特的頻率,相干性參數(shù),以及量子比特與諧振腔耦合的基本參數(shù)等。同時(shí)介紹了對(duì)量子比特進(jìn)行精確校準(zhǔn)的原理與方法。5.在超導(dǎo)相位量子比特中,利用絕熱捷徑的方法對(duì)貝里相位進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)通過量子層析測(cè)量驗(yàn)證了量子態(tài)在絕熱捷徑方案中的演化軌跡。同時(shí),我們?cè)趯?shí)驗(yàn)和理論上說明了貝里相位在兩個(gè)方向的噪聲下的行為以及其抗噪能力。6.以xmon型超導(dǎo)量子比特為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),針對(duì)絕熱捷徑的量子功的統(tǒng)計(jì)行為進(jìn)行測(cè)量與研究。實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了針對(duì)絕熱捷徑的量子功的理論結(jié)論:絕熱捷徑的平均量子功與對(duì)應(yīng)的絕熱情況相同,量子功的漲落與量子幾何張量存在等式關(guān)系。本文的創(chuàng)新點(diǎn)有:1.基于超導(dǎo)量子比特的相干性分析以及調(diào)控需求,設(shè)計(jì)并搭建了超導(dǎo)量子比特的實(shí)驗(yàn)測(cè)控軟硬件平臺(tái)。2.以超導(dǎo)相位量子比特為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),首次利用絕熱捷徑對(duì)貝里相位進(jìn)行測(cè)量與研究,理論和實(shí)驗(yàn)上分析了貝里相位在噪聲場(chǎng)中行為。3.在xmon中針對(duì)絕熱捷徑的量子功的統(tǒng)計(jì)行為進(jìn)行測(cè)量與研究,并在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了這部分理論的理論結(jié)論。
【圖文】：

量子計(jì)算機(jī)芯片“Ｔａｎｇｌｅ邋Ｌａｋｅ”。同年２月，ＩＢＭ展示了邋５０個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)原逡逑型機(jī)，而在３月份，Ｇｏｏｇｌｅ宣布正在測(cè)試７２量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ”，如逡逑圖１．４。隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，在單層芯片上進(jìn)行比特的設(shè)計(jì)以及控制線的走線將會(huì)更逡逑加困難，同時(shí)多個(gè)信號(hào)之間的串?dāng)_問題也將影響比特性能。因此，研究人員也同時(shí)在發(fā)展超逡逑導(dǎo)量子比特的三維芯片封裝技術(shù)。參考目前成熟的半導(dǎo)體工藝，利用深硅穿孔（ＴＳＶ）ｆ８６，８＇逡逑倒裝焊（Ｆｌｉｐ邋Ｃｈｉｐ）［８８］等多種技術(shù)［８９，９Ｑ］進(jìn)行芯片之間的互聯(lián)。逡逑國(guó)內(nèi)超導(dǎo)量子計(jì)算的研究起步相對(duì)較晚，但是發(fā)展相對(duì)較快。２０１７年，浙江大學(xué)的王逡逑浩華團(tuán)隊(duì)與中科大的朱曉波團(tuán)隊(duì)首次在超導(dǎo)量子芯片中實(shí)現(xiàn)了邋１０量子比特的糾纏，打破了逡逑當(dāng)時(shí)的記錄［４９］；近乎同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)體系中演示了求解線性方程組的ＨＨＬ算法而逡逑在２０１８年，清華大學(xué)的孫麓巖團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)諧振腔中完成了對(duì)量子比特的糾錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，糾錯(cuò)后逡逑的量子比特的相干時(shí)間是參與比特的２．８倍［９１］。逡逑根據(jù)文獻(xiàn)［９２］

１緒論逡逑ｉ－＾ｒｎ逡逑圖１．４目前國(guó)際上的量子計(jì)算機(jī)。（ａ）Ｇｏｏｇｌｅ在２０１８年３月宣布正在測(cè)試的７２比特的超導(dǎo)量子計(jì)逡逑算機(jī)“Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ”。（ｂ）Ｉｎｔｅｌ宣布的４９量子比特的芯片。（ｃ）浙江大學(xué)王浩華團(tuán)隊(duì)研制的１０逡逑比特超導(dǎo)量子芯片（ｄ）邋ＩＢＭ發(fā)布的５０比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)逡逑的公司或是研究機(jī)構(gòu)都傾向于制備比特?cái)?shù)更多的超導(dǎo)量子芯片。２０１８年，Ｉｎｔｅｌ，ＩＢＭ，Ｇｏｏｇｌｅ逡逑先后發(fā)布了自己的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。２０１８年１月，Ｉｎｔｅｌ宣布設(shè)計(jì)并制備了邋４９量子比特的逡逑量子計(jì)算機(jī)芯片“Ｔａｎｇｌｅ邋Ｌａｋｅ”。同年２月，ＩＢＭ展示了邋５０個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)原逡逑型機(jī)，而在３月份，Ｇｏｏｇｌｅ宣布正在測(cè)試７２量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ”，如逡逑圖１．４。隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，，在單層芯片上進(jìn)行比特的設(shè)計(jì)以及控制線的走線將會(huì)更逡逑加困難，同時(shí)多個(gè)信號(hào)之間的串?dāng)_問題也將影響比特性能。因此，研究人員也同時(shí)在發(fā)展超逡逑導(dǎo)量子比特的三維芯片封裝技術(shù)。參考目前成熟的半導(dǎo)體工藝，利用深硅穿孔（ＴＳＶ）ｆ８６，８＇逡逑倒裝焊（Ｆｌｉｐ邋Ｃｈｉｐ）［８８］等多種技術(shù)［８９
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP38


本文編號(hào)：2647425