【摘要】：量子計(jì)算是一種建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上的新型計(jì)算方式。借助于量子態(tài)的疊加和糾纏等特性,在解決某些問題時(shí),量子計(jì)算機(jī)具有相對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的指數(shù)級(jí)加速效應(yīng)。不過,它在物理上的實(shí)現(xiàn)一直是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。過去幾年來,基于超導(dǎo)電路的量子計(jì)算研究取得了很大的進(jìn)步,其良好的可擴(kuò)展性和易操控的優(yōu)勢吸引了眾多科研機(jī)構(gòu)以及科技公司的研究興趣。在這種國際競爭的態(tài)勢下,未來幾年內(nèi),超導(dǎo)量子計(jì)算雛形機(jī)有可能集成50個(gè)以上可同步調(diào)控的量子比特,并有可能在量子模擬和優(yōu)化等有巨大實(shí)用價(jià)值的問題上超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。本論文以基于超導(dǎo)量子比特的高精度實(shí)驗(yàn)測控為核心,詳細(xì)介紹了個(gè)人在博士期間完成的幾項(xiàng)工作。論文的前三章回顧了量子計(jì)算以及超導(dǎo)量子比特的基本知識(shí)。第四、五章是論文的主體部分。我們先后發(fā)展了超導(dǎo)相位比特和Xmon比特的測控技術(shù)。由于相位比特退相干時(shí)間相對(duì)較短,不利于大規(guī)模長時(shí)序的量子門疊加,我們提出了結(jié)合量子反坍縮和動(dòng)力學(xué)解耦的方案,能同時(shí)抑制比特的相位退相干和能量馳豫效應(yīng)。進(jìn)一步,我們還研究了不同超導(dǎo)比特中環(huán)境噪音的關(guān)聯(lián)性質(zhì),提出并驗(yàn)證了通過量子態(tài)傳輸來抑制比特相位退相干的方案。而在相干性很好的Xmon比特調(diào)控方面,我們向多比特集成的方向邁進(jìn)了一大步。利用一個(gè)全連通的量子芯片,我們成功制備并利用大規(guī)模的量子態(tài)層析技術(shù)完整標(biāo)定了 10比特的Greenberger-Horne-Zeilinger態(tài),保真度達(dá)到66.8%,創(chuàng)造了當(dāng)前固態(tài)體系全局糾纏比特?cái)?shù)的世界記錄。接下來我們利用這個(gè)10比特的量子芯片模擬了凝聚態(tài)物理中的多體局域效應(yīng)。借助于超導(dǎo)平臺(tái)的高精度和快速調(diào)控的優(yōu)勢,第一次在實(shí)驗(yàn)上觀察到了多體局域的糾纏熵隨時(shí)間的對(duì)數(shù)增長效應(yīng)。最后一章是對(duì)個(gè)人研究工作的總結(jié)與展望。比特的退相干效應(yīng)和多比特的擴(kuò)展一直是實(shí)現(xiàn)實(shí)用化量子計(jì)算要解決的兩個(gè)關(guān)鍵性問題。我們通過發(fā)展多樣化的多比特測控方案和技術(shù),為解決這兩個(gè)關(guān)鍵難題提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支撐。在此基礎(chǔ)上,我們還演示了 10比特的量子模擬實(shí)驗(yàn),為應(yīng)用超導(dǎo)量子模擬器研究量子多體系統(tǒng)的復(fù)雜行為奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

２．１．２邋ＳＱＵＩＤ：等效的約瑟夫森結(jié)逡逑兩個(gè)約瑟夫森結(jié)并聯(lián)形成的結(jié)構(gòu)為ＳＱＵＩＤ邋（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ邋ｑｕａｎｔｕｍ邋ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ邋ｄｅ－逡逑ｖｉｃｅ）。這是在超導(dǎo)電路中經(jīng)常用到的一種結(jié)構(gòu)。如圖２－１邋（ｂ）所示，，總電流夂流經(jīng)兩逡逑個(gè)約瑟夫森結(jié)的分支，匯合后從ＳＱＵＩＤ的另一端流出。根據(jù)基爾霍夫電流定律，滿足如下逡逑１５逡逑

Ｘｍｏｎ比特具有和Ｔｒａｎｓｍｏｎ類似的電路參數(shù)，均是從電荷比特演變而來。Ｘｍｏｎ比特逡逑沒有私項(xiàng)，相當(dāng)于電感無窮大的情況。？Ｅｊ／Ｅｃ？５０。它的勢能曲線是一條正弦震蕩的曲逡逑線，如圖２－５所示。這些勢阱都是等價(jià)的，其中一個(gè)勢阱中的最低兩個(gè)能級(jí)就可以看成一個(gè)逡逑量子比特。我們先看Ｘｍｏｎ比特相對(duì)于電荷比特的變化。Ｘｍｏｎ比特所用的電容相對(duì)于電逡逑荷比特大了邋２個(gè)數(shù)量級(jí)。更大的電容意味著更大的五ｊ／Ｅｃ，對(duì)電路中電荷波動(dòng)敏感度也更逡逑低。這樣Ｘｍｏｎ比特就克服了電荷比特容易受電荷噪音影響的缺點(diǎn)。我們再來看Ｘｍｏｎ比逡逑特相對(duì)于相位比特的特點(diǎn)。由于Ｘｍｏｎ比特和相位比特都滿足五它們對(duì)電荷噪音逡逑都不敏感。但是Ｘｍｏｎ比特相比相位比特采用了更小的結(jié)。Ｘｍｏｎ比特的約瑟夫森結(jié)的等效逡逑電感比相位比特大了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。增大結(jié)電感的目的一方面是為了維持和桕位比特類似的逡逑能級(jí)差（？（Ｘｍｏｎ比特的電容比相位比特少了邋一個(gè)數(shù)量級(jí)，為了維持諧振頻率不逡逑變需要增大電感），另一方面，更小的結(jié)面積意味著結(jié)絕緣層的缺陷也越少。另外，Ｘｍｏｎ逡逑比特比相位比特具有更小的電容。在制備工藝上這種電容是采用真空作為介質(zhì)層的，所以逡逑Ｘｍｏｎ比特的電容介質(zhì)層幾乎不具有介電損耗�；诖耍兀恚铮畋忍孬@得了比相位比特更長逡逑的退相干時(shí)間。逡逑４逡逑１９逡逑
【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)】：O413.1

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