【摘要】：超導(dǎo)量子比特是固態(tài)電路,具有易集成且電路參數(shù)可以通過幾何結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)等獨(dú)特優(yōu)勢,已成為最具可能實(shí)現(xiàn)量子計算的物理實(shí)現(xiàn)之一。近年來,超導(dǎo)量子比特發(fā)展非常之快,不管是能量弛豫時間T1還是量子比特個數(shù)都得到了極大的提高。谷歌,IBM等研究組的比特個數(shù)已達(dá)到了幾十個的量級,退相干時間也達(dá)到了 100微秒量級。相對于國外而言,國內(nèi)超導(dǎo)量子比特的研究起步比較晚,也和國際頂尖小組有著較大的差距。在超導(dǎo)量子比特的研究中,樣品的制備是基本,也是最重要和最為困難的一個環(huán)節(jié)。因此,本文選擇超導(dǎo)量子比特的設(shè)計、制備工藝作為主要研究內(nèi)容,系統(tǒng)地研究了超導(dǎo)量子比特的制備工藝參數(shù)。并且,鑒于很多量子計算的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)都要求量子比特與其他系統(tǒng)進(jìn)行耦合,而將超導(dǎo)量子比特與微納米機(jī)械振子的耦合有望實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特、微波、光和機(jī)械振子的耦合系統(tǒng)信息處理,因此,本文在研究超導(dǎo)量子比特微加工制備的同時,還初步設(shè)計、制備和研究了基于真空平行平板電容(Vacuum-Gap-Capacitor.VGC)的平面薄膜振子和兩端固定的線機(jī)械振子。主要研究成果包括以下幾個方面:1、對Transmon結(jié)構(gòu)中的各個參數(shù)進(jìn)行了理論分析,結(jié)合實(shí)驗測量系統(tǒng),設(shè)計了平面Transmon和三維腔Transmon,進(jìn)一步,設(shè)計了基于真空縫隙電容(VGC)結(jié)構(gòu)、兩端固定懸臂結(jié)構(gòu)的機(jī)械振子,以及機(jī)械振子和Transmon相互耦合的系統(tǒng)。2、成功制備了三維腔Transmon、平面Transmon、基于VGC的機(jī)械振子樣品,以及機(jī)械振子和Transmon相互耦合的樣品。對制備約瑟夫森隧道結(jié)的工藝方案進(jìn)行了系統(tǒng)的研究;對不同基底的工藝參數(shù)做了詳細(xì)的摸索和優(yōu)化;對VGC樣品的制備方案和參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。3、對器件的基本參數(shù)進(jìn)行了測量表征。其中,平面結(jié)構(gòu)Transmon的能量弛豫時間T1接近20微秒,已達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平,已經(jīng)能夠滿足對一些量子現(xiàn)象進(jìn)行研究,為后續(xù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的量子算法研究奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。在VGC結(jié)構(gòu)的機(jī)械振子樣品中,成功觀測到了薄膜振動引起的邊帶頻譜,并對薄膜機(jī)械振子隨輸入微波功率、光功率變化的響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)表征,為超導(dǎo)量子比特、機(jī)械振子、微波和光構(gòu)成的光電機(jī)械系統(tǒng)的研究提供了依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O413;TP38
【圖文】：

１．２超導(dǎo)量子比特國內(nèi)外研究現(xiàn)狀邐３逡逑非線性光子晶體（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ邋ｐｈｏｔｏｎｉｃ）［１８］和中性原子（ｎｅｕｔｒａｌ邋ａｔｏｍ）［１９］量子比特逡逑等。第二階段，可以執(zhí)行小的量子算法。第三階段通過量子非破壞讀出來校逡逑正一些誤差。還可以通過反饋來將量子位穩(wěn)定在任意狀態(tài)［２０－２５］。這－階段逡逑首先在離子阱量子比特中達(dá)到［２６］，緊接著Ｒｙｄｂｅｒｇ原子［２０］和超導(dǎo)量子比特逡逑［２７－２９］也達(dá)到這個階段。第四階段是通過量子糾錯（ＱＥＣ）來實(shí)現(xiàn)比任何一個逡逑物理比特都長的退相干時間，由此組成邏輯存儲器。后面主要是進(jìn)行邏輯比特逡逑的操控和算法實(shí)現(xiàn)。逡逑Ｉ邐￣＼逡逑

圖２－２：邋Ｏｎｎｅｓ觀察到的Ｈｇ的電阻隨溫度變化的曲線［５８］。逡逑，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原子的半徑。這樣，使得Ｃｏｏｐｅｒ的波函數(shù)在空間，從而具有相同的狀態(tài)。在超導(dǎo)態(tài)的情況下，要拆散一對ｃｏｐｐｅｒＡ的能量，大于２Ａ才能形成連續(xù)譜，所以才有２Ａ的能隙。對，對Ｃｏｏｐｅｒ不起作用。逡逑量子電路而言，為了維持量子相干性，第一要求就是在工作的內(nèi)所有的金屬都沒有損耗。所以用超導(dǎo)體作為設(shè)汁１子電路的的優(yōu)勢。在應(yīng)用超導(dǎo)體設(shè)計量子電路時，療先耍滿足三個原則：逡逑）在工作溫度時，熱漲落能量必須滿足：（／／＇＜＜Ａ．ｓ為玻為普朗克常數(shù)。一般f堊擁緶返哪芟對冢保板澹澹玻擔(dān)板宸敦瓨，對應(yīng)２？５０邋Ｇ／／ｚ。因此，環(huán)境溫度大約在或者低于２０邐而丨１要出量子電路信息的導(dǎo)線電磁溫度也必須小于／，ｖ。逡逑宏觀自由度與環(huán)境必須很好地解耦，以便量了－態(tài)的壽命長于電路

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本文編號：2714761