適合容錯量子計算的高性能超導量子比特的研製與調控

《適合容錯量子計算的高性能超導量子比特的研製與調控》是依託浙江大學，由王浩華擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：適合容錯量子計算的高性能超導量子比特的研製與調控
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：王浩華
• 項目類別：重點項目

項目摘要

超導量子比特是可以模擬原子行為的約瑟夫森結電路。它基於矽材料工藝，使用微波精確調控，方便集成。近年來在材料學和電子工程學方面的研究大大提升了超導量子比特的綜合性能，使其成為實現容錯量子計算的有力候選。最近國際上普適單比特和雙比特運算門的精度分別達到了99.92%和99.4%（Nature 508, 500-503 (2014)），逼近容錯量子計算閾值。在本申請項目中，我們將基於自己的樣品製備經驗研發適合容錯量子計算的高性能超導量子比特。我們將最佳化樣品設計和各種製備工藝參數，製備高質量的約瑟夫森結，重點是縮小結的面積和利用超高真空鍍膜設備。我們同時將簡化約瑟夫森結周圍的輔助電路，在保證量子門操控的前提下最大程度地削弱外圍電路對結的控制。最後在基於新理念製備的多比特量子器件中，我們將爭取展示高精度的多比特運算門操作和多體糾纏、以及基於非破壞性測量的實時量子反饋。同時我們也將探究基於新器件的多體物理問題。

結題摘要

超導量子比特是可模擬原子行為的超導約瑟夫森結電路。它基於微加工工藝、使用微波精確調控、方便集成。近年來在材料學和電子工程學方面的研究大大提升了超導量子比特的綜合性能，使其成為實現量子計算的有力候選體系。在本項目中，我們重點研發了高性能的超導量子比特，並奠定了針對其實現高精度操縱的技術基礎。通過最佳化器件構型和製備工藝參數，我們設計製備了高質量的集成多比特的超導量子晶片：晶片採用全連通架構，比特集成數多至20個，比特退相干時間在20-50微秒區間。同時我們發展了多通道、高精度的弱微波脈衝信號發射和捕捉技術，研發了能用於20比特同步高精度讀取的量子放大器，實驗製備並標定了18比特的Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）糾纏態和20比特的多組份薛丁格貓態【Science 365, 574 (2019)】，其中18比特GHZ態保真度超過50%的量子糾纏閾值，創造了固態體系糾纏粒子數的記錄。利用自主設計製備的多比特量子晶片，我們進一步展示了高精度的多比特運算門操作，探究了諸如多體局域化、手征特性和任意子編結等基礎物理問題，初步展示了超導量子比特用於量子模擬研究的前景。項目執行期間已發表受項目資助的論文19篇（含接收1篇），其中Science 1篇，Nature Physics 1篇，Nature Communications 1篇，Science Advances 1篇，Physical Review Letters 9篇（含接收1篇）。項目培養傑青1名，以及多名有潛質的熱衷於推動該領域發展的博士碩士畢業生和在讀學生，順利完成了針對面向量子計算的若干前瞻性理論和技術的探索和驗證。