多比特量子随机行走与可扩展量子比特控制

论文摘要

量子计算有望解决传统计算机难以解决的问题,在密码学、大数据分析、机器学习和材料分析等领域有着重大的应用前景。而用于实现量子计算的方案很多,如超导量子比特、离子阱、中性原子、光学、量子点和腔量子电动力学等。超导量子比特作为实现量子计算最有潜力的方案之一[1-4],近年来已被用来演示了量子纠错、量子模拟、量子退火等。基于当前超导体系中的门错误率,一个通用的纠错量子计算机大约需要100万个超导量子比特,而一个中型的无纠错量子计算机也需要几百个量子比特。但是,随着量子比特的数量的增多,量子比特的控制和扩展面临着一些挑战。首先,室温控制系统会产生很大的能耗;其次低温下需要很多的RF/DC控制线、参量放大器、HEMT和隔离器等。目前制冷机的制冷功率和内部空间将远远无法满足未来超导量子计算处理器的需求。本论文分别研究了多量子比特系统中的量子随机行走和一种新颖的超导量子比特的可扩展DC源,意在解决超导量子比特方案通向通用量子计算的一些关键性问题。实现通用量子计算的算法有很多种,如surface-code[5]、量子随机行走[6]等。本论文第一部分工作演示了 12个量子比特的处理器中的量子随机行走,这是通向通用量子计算的一个阶段性、探索性工作,为后续基于量子随机行走通用量子计算的研究提供了依据。本论文第二部分工作研究了基于Rf-Squid的直流偏置器,尝试实现原位低温的超导量子比特的DC控制。该研究工作的目的主要有两个方面。首先,尝试提高目前量子比特的DC控制的稳定性;其次,为探索基于RSFQ的可扩展量子比特控制研究做铺垫。第一部分工作演示了 12个超导量子比特的量子随机行走,这是量子随机行走在超导量子比特系统中首次被成功演示。论文会在超导量子比特处理器的设计、制备和测量等3个方面阐述这部分工作;第二部分工作实现基于Rf-Squid的DC偏置,成功的给x-mon量子比特提供了原位的直流控制,且具有很高的稳定性。论文会详细介绍DC偏置器的设计、制备、测量以及基于当前结果下一代设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 简介
•   1.1 量子计算
•     1.1.1 量子信息和量子门操作
•     1.1.2 量子计算的应用
•   1.2 量子比特的实现方案
•     1.2.1 离子阱
•     1.2.2 半导体量子比特
•     1.2.3 超导量子比特
•   1.3 总结与论文结构
• 第2章 x-mon超导量子比特
•   2.1 超导线路的量子化
•     2.1.1 简谐振子
•     2.1.2 非简谐电路
•   2.2 超导量子比特
•     2.2.1 电荷量子比特
•     2.2.2 磁通量子比特
•     2.2.3 Fluxonium
•     2.2.4 Transmon量子比特和Csh flux qubit
•     2.2.5 总结
•   2.3 X-mon量子比特
•     2.3.1 X-mon量子比特的能级
•     2.3.2 X-mon量子比特的XY驱动
•     2.3.3 X-mon量子比特的能级调节
•     2.3.4 Dispersive读取
•     2.3.5 两比特耦合
•     2.3.6 总结
• 第3章 样品制备
•   3.1 衬底预处理和铝膜沉积
•   3.2 金Mark
•   3.3 刻蚀
•   3.4 制备crossover
•   3.5 制备约瑟夫森结
•   3.6 检测bonding样品
•   3.7 总结
• 第4章 12-qubit超导处理器中强关联量子随机行走
•   4.1 12-qubit超导量子处理器
•     4.1.1 样品介绍
•     4.1.2 近邻耦合x-mon量子比特的Bose-Hubbard模型
•   4.2 测量装置介绍
•   4.3 样品性能标定
•     4.3.1 能谱测量
•     4.3.2 相干性能测量
•     4.3.3 非简谐测量
•     4.3.4 Dispersive shift测量
•     4.3.5 x-mon量子比特耦合强度测量
•     4.3.6 样品性能参数总结
•   4.4 实验内容
•     4.4.1 idle点和工作点的选择
•     4.4.2 系统矫正与优化
•     4.4.3 频率对齐
•     4.4.4 量子随机行走实验结果和理论模拟
•   4.5 总结与展望
• 第5章 基于Rf-Squid的直流偏置器
•   5.1 Rf-Squid
•   5.2 Dc-Squid
•   5.3 直流偏置器设计
•     5.3.1 工作点的个数和偏置电流精度
•     5.3.2 各工作点的plasma频率
•     5.3.3 持续电流的寿命
•     5.3.4 器件性能对参数的敏感性
•   5.4 版图设计和线路仿真结果
•   5.5 高临界电流约瑟夫森结制备
•     5.5.1 大面积约瑟夫森结
•     5.5.2 高临界电流密度约瑟夫森结
•   5.6 约瑟夫森结的室温电阻测量
•     5.6.1 四端法测电阻原理
•     5.6.2 测量电路的搭建
•     5.6.3 稳定性和可靠性测试
•   5.7 样品制备
•   5.8 测量结果
•     5.8.1 高临界电流测试
•     5.8.2 能谱稳定性测量
•   5.9 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 闫智广

导师: 朱晓波

关键词: 超导,量子计算,量子比特,量子随机行走

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O413

总页数: 110

文件大小: 8781K

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