超导量子器件的制备和操控

论文摘要

量子计算是目前最受关注的研究领域之一,是建立在量子力学基础上的一种新型计算方式,研究的最终目的是构造出通用的量子计算机。到目前为止,科学家提出了超导量子电路、量子点、离子阱等多种实现方案,其中具有较多优势并在研究中暂时处于领先地位的是超导量子电路方案。这种方案的计算单元被称为超导量子比特,是一种基于约瑟夫森结非线性电感效应的人工原子,具有易于调控参数,易于扩展数量,易于操纵和读取的优点。由于量子计算广阔的应用前景和巨大的战略价值,世界上几个大国已经将其列为重点战略发展方向,一些著名的企业也纷纷投入到这个领域的研究中。根据目前的发展形势,简单的商用量子计算应用可能会在近期出现,但通用量子计算机的实现仍然十分遥远。目前,高质量样品的制备以及高精度的测量是超导量子器件研究中的两个重点的方向。针对这两个问题,本论文研究了高精度制备工艺、约瑟夫森参量放大器的设计与制备、超高频任意波操控量子比特的技术以及一种基于朗道-齐纳效应的三量子比特系统中量子态传输的方案等。量子芯片的制备是超导量子计算研究中的重要环节,它直接影响到超导量子比特退相干性能的好坏。约瑟夫森结的制备是芯片制备中的关键步骤,我们探究了通过对电子束曝光模拟来优化曝光精度的方法,以及制备大面积约瑟夫森结的工艺。在量子比特的测量中,约瑟夫森参量放大器是一种重要的信号放大器,可以在低温区域放大微弱的读出信号,而引入的噪声可低达量子极限,这可以极大的提高读出信号的信噪比,对高精度的单发测量至关重要。我们研究了一种宽带的阶跃式阻抗变换约瑟夫森参量放大器的设计和制备,并实现了带宽的提升。超导量子计算研究中的另一个重要环节是构建一个稳定的低噪声的测量系统。我们研究了测量中信号的产生和解调过程,并总结出一套信号处理的方案,包括信号纠正,数字滤波等,编写了一套波形编辑处理的Python代码模块wavedata。这对提高实验的效率非常有帮助。此外,我们发展了 一种采用超高频采样率任意波发生器来直接数字合成微波信号操控超导量子比特的技术,并与传统的混频技术进行了对比。从退相干时间和保真度测试结果的对比来看,这种新方法和传统混频方法相当。新技术可以简化测量线路,使对量子比特的控制更加精确,这在未来规模化的量子比特的操控中十分有用。我们还提出并验证了在三量子比特系统中基于多周期Landau-Zener-Stuckelberg（LZS）干涉现象的量子态传输的方法,这个态传输的过程是一个动力学完整的过程。三量子比特系统包含一个频率可调比特和两个不可调比特,可调比特作为量子态传递的中介,这与谐振腔中介类似。这种态传输方法很容易扩展到类似架构的多量子比特体系,为量子门的构造提供了一种有用工具。

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 李志远

导师: 于扬

关键词: 量子计算,超导量子比特,量子器件制备,约瑟夫森参量放大器,波形编辑,超高频任意波发生器,量子态传输

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,计算机硬件技术

单位: 南京大学

分类号: O413;TN722.31;TP38

DOI: 10.27235/d.cnki.gnjiu.2019.000105

总页数: 164

文件大小: 15154k

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