新型超导量子比特及相关宏观量子现象的研究

Superconducting quantum devices have the advantages of low dissipation, scalability, and flexibility in quantum-state preparation, manipulation, and readout. They are promising candidates in the realization of solid-state quantum computing and quantum information. However, obstacles remain concerning quantum-state decoherence, device design optimization, coupling, and fast state transfer etc. In this project, we will design and develop several novel superconducting qubits, including phase qubits based on negative-inductance superconducting quantum interference devices (nSQUIDs) and gradiometers containing compound Josephson junctions. The related physics in the devices will be systematically investigated. Superconducting qubits and resonators are typical spin 1/2 and Boson photon systems, respectively, which provide an ideal testbed for quantum optics and cavity quantum electrodynamics studies. Photon state preparation, transfer, entanglement, and readout will be studied in this project. In addition, quantum-state properties of coupled qubit systems, such as qunatum decoherence mechanism and preparation, evolution, and measurement of some special entangled states that are important in superconducting quantum computing and quantum information applications, will be extensively investigated.

超导量子器件具有损耗低、量子态的制备、调控和读取灵活，以及容易集成化等诸多优点，目前是实现固态量子计算和量子信息方面的有力竞争者。然而在通向实用化的道路上，它们在量子退相干时间、器件的优化设计、耦合和量子态的快速传递等方面仍有许多亟待解决的问题。本项目旨在开展若干新型超导量子比特器件的制备及相关物理问题的系统研究，包括基于双轨排列的负电感SQUID位相量子比特和复合约瑟夫森结梯度计型位相量子比特，它们在耦合器件的量子态传输速度和基础物理问题的研究上有着巨大的优越性。超导量子比特和谐振腔是典型的自旋1/2系统和玻色光子系统，是腔量子电动力学研究的理想载体。我们将在这些新型器件中开展光子态的产生、传输、纠缠和读取等方面的量子态调控研究，并同时开展对耦合系统的量子退相干机理和一些特殊纠缠态的制备、演化和测量等方面的研究，为超导量子计算和量子信息方面的实际应用打下基础。

按计划书安排本项目的研究内容分为新型超导量子比特和相关宏观量子现象两个方面。经过项目组成员四年的努力，我们成功完成了计划中nSQUID新型超导量子比特（包括位相量子比特）的制备和器件量子相干性的研究，发展了一套成熟的超导量子比特制备的多层膜工艺，填补了国内在这一研究领域的空白。另一方面，项目执行期间国际上2D形式的Xmon（transmon）器件取得了突破性的进展，量子相干时间已逐步提高到数十微秒，这类新型量子比特已证明在器件设计及耦合方面具有更大的优越性。为此，项目组成员在开展原计划研究的同时，对这类器件的研究及时跟进，项目中关于新型量子比特器件的研究也因此增添了新的内容。从2015年开始，我们和浙江大学与中科大等单位合作，逐步完善了2D形式的Xmon器件的制备工艺，制备出多种耦合量子比特芯片，并且参与合作，在国际上首次完成了多达10个量子比特的量子态的纠缠，同时实现了解线性方程组的量子算法和局域态等固体物理问题的量子模拟。在宏观量子现象研究方面，项目组的理论研究人员和实验研究人员密切配合，基于已有的超导量子比特器件开展了大量有关量子耗散问题、微波激光和量子光学等方面的研究，尤其在Autler-Townes splitting、electromagnetically induced transparency、stimulated Raman adiabatic passage等方面形成了一整套系统和独特的研究成果。

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