超導量子電路中量子態的測量和控制

《超導量子電路中量子態的測量和控制》是依託清華大學，由劉玉璽擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超導量子電路中量子態的測量和控制
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：劉玉璽
• 項目類別：面上項目

項目摘要

本項目擬主要研究超導量子電路中量子態的測量和控制。我們將以射頻信號偏置的約瑟夫森分岔（Bifurcation）放大器（非線性系統），非線性納米機械共振器，和射頻超導量子干涉器件與超導量子比特的相互作用為研究對象。分析它們的相互作用機理，從而建立用這些儀器測量超導量子比特的測量理論；分析不同儀器在測量量子比特時引起的量子噪音對量子比特相干性的影響，從而找出較優的測量儀器和測量方法。在此基礎上，我們將研究規模化超導電路中的反饋和控制理論。

結題摘要

在基金號為10975080的基金資助下，圍繞超導量子電路中量子態的測量和控制這一主題，我們從量子比特與超導傳輸線及其納米機械諧振器的相互作用，到對這些系統的測量，再到超導量子電路中的控制和反饋控制及其套用展開理論研究，取得系列研究成果。已發表標註資助的SCI論文16篇【其中，14篇發表在Phys. Rev. A 和B雜誌，1篇發表在 IEEE Trans. Automat.雜誌，1篇發表在 Sci. China-Phys. Mech. Astron.】，目前標註基金號的成果還有7篇文章已在arXiv上公開並正在投稿中，預計將在2013年底前發表，研究成果概括如下。 作為超導量子比特系統中的測量和控制的研究基礎，我們首先研究解決了微波量子場與機械振子、量子點中的自旋、超導量子比特、及其混合系統的耦合機制，發現微波量子場與自旋量子比特可以達到強耦合極限。我們也發現微波信號在通過由超導量子器件和機械振子及“人工原子”等構成的混合固體器件時會有阻塞、隧穿、透明、放大等效應，與此同時，我們給出了表征微波等電磁場非經典特性的規則，建立了微波信號在非馬爾科夫環境中傳輸的輸入輸出理論，為以後非馬爾科夫條件下反饋控制和相干反饋控制的研究奠定了堅實的理論基礎。 基於微波器件的性質，在研究約瑟夫森分岔放大器測量量子比特原理的基礎上，我們發現用非線性量子反饋和控制可以在一個阻尼的線性諧振子中誘導出偽非線性動力學，從而可以誘導出非線性的分岔。這樣我們可以用一個線性系統通過非線性的反饋和控制手段實現信號的放大並用它來測量量子比特的狀態，進而我們提出用可控非線性超導量子干涉儀產生的混沌信號抑制超導等固體量子比特的退相干，同時提出用非線性相干反饋控制的方法產生強的微波光子間的非線性作用，這一研究可直接套用於超導量子系統中的量子非破壞測量等。另外，我們提出通過超導量子比特誘導機械振子中聲子的相互作用來探測其量子性的理論方案。發現用可控超導量子比特控制微波信號在耦合超導傳輸線微腔中傳輸的物理機制。 作為測量和微波控制的套用，我們研究了如何用基於測量的量子位相算法估算非麼矩陣的本徵值，提出通過控制微波信號在超導量子比特系統中製備多量子比特GHZ態、實現單量子比特控制多量子比特量子邏輯門、和仿真激子激發的理論方法。