集成化固態量子比特的探測和相干操縱

《集成化固態量子比特的探測和相干操縱》是依託南京大學，由於揚擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：集成化固態量子比特的探測和相干操縱
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：於揚
• 依託單位：南京大學

項目摘要

超導量子比特具有初始化、調控、測量、集成都十分方便的突出優勢，成為實現實用化的量子計算的主要候選系統之一。但是，超導量子比特和環境較強的相互作用導致其退相干時間較短，無法滿足大規模量子計算的要求。另一方面，許多微觀量子比特具有很長的相干時間，例如金剛石NV色心和半導體量子點中電子自旋就具有毫秒以上的退相干時間。因此，立足超導量子比特的優勢，並發揮微觀量子比特退相干時間長的特點，探索二者結合構成雜化量子信息處理系統在基礎研究和量子計算的實現方面都具有特別重要的意義。本項目擬設計和構築基於馮諾依曼模型的固態量子計算機原型。利用超導量子器件設計和構築單量子態體系，實現對單量子態的精確控制和探測。研究多種固態量子比特中單量子態的耦合、糾纏、和相干操縱，探索雜化量子比特的構築、相干操縱、和單量子態探測，為實現集成化量子計算提供可能的理論基礎和技術方案。

結題摘要

量子計算作為後摩爾時代的重要信息技術，對國家戰略、經濟、科研等方面都非常重要。目前，量子計算正處在初期研究階段，人們正在探索實現量子計算的有效途徑，因此提出了許多方案，主要有光學、冷原子、自旋、超導量子器件等。這些方案在操控性和相干性方面各有優劣。本項目探索把超導量子比特的和自旋結合起來，充分發揮超導量子比特的操控性和自旋比特的相干性的優點，進行雜化量子信息處理。項目設計和製備了和超導諧振腔耦合的超導量子比特，最佳化了超導量子比特和諧振腔的製備過程，能穩定地加工各種超導量子比特，超導量子比特的退相干時間達到20微秒，諧振腔的Q值達到100萬，接近國際一流水平。設計加工了高Q值藍寶石諧振腔，探索了諧振腔和NV 色心、量子點的耦合。利用超導諧振腔對超導量子比特中單量子態進行了高保真度的操控和非破壞性測量。研究了NV色心量子比特製備和加工，製備出深度和濃度分布可控的樣品，掌握了離子注入製備金剛石中氮-空位色心的關鍵劑量和能量參數；檢測了樣品中氮-空位色心的分布、連續波譜、退相干時間和拉比振盪衰減時間等關鍵參數；結合微納加工技術，對樣品表面進行標記，並進行聚焦離子束刻蝕，將樣品螢光計數率提升到500千每秒，有效提升了讀出效率；研究了NV量子比特的高精度量子控制，發展了能夠有效抑制環境和操控場等各類噪聲的新型組合脈衝技術，在實驗上實現了高精度抗噪聲的量子邏輯門控制，達到容錯量子計算所要求的閾值；實驗演示量子算法和量子模擬，基於發展出的高精度量子控制技術，在NV量子比特上演示了重要的量子算法和量子模擬任務，實現了高效率的反事實計算、實現了量子模擬技術對拓撲數的直接測量。用磁光光譜、自旋噪音譜和超快光譜技術研究了半導體自旋特性，用全光學方法觀測到多重核磁共振現象，建立了一種精確測量薄膜磁各向異性的方法，有助於基於半導體自旋的量子信息技術的發展。