基于超導(dǎo)量子比特量子計(jì)算(PPT-42)

1、基于超導(dǎo)量子比特量子計(jì)算基于超導(dǎo)量子比特量子計(jì)算于于 揚(yáng)揚(yáng)南京大學(xué)物理系南京大學(xué)物理系固體微結(jié)構(gòu)國家實(shí)驗(yàn)室固體微結(jié)構(gòu)國家實(shí)驗(yàn)室物理所物理所, 2011/9/23, 北京北京提 要1. 量子比特和量子計(jì)算2. 基于超導(dǎo)量子器件的量子比特3. 目前發(fā)展?fàn)顩r和前景最小最小CMOS尺寸只有尺寸只有30nm，柵氧厚度柵氧厚度3個原子層。個原子層。Moore定律的挑戰(zhàn)迫切呼喚新的信息技術(shù)量子調(diào)控技術(shù)深入到單量子態(tài)層次量子信息正是挑戰(zhàn)和發(fā)展的交匯。在基礎(chǔ)理論上，研究量子理論在各方面的拓展和應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)量子通訊、模擬、計(jì)算，具有巨大潛在應(yīng)用前景。量子比特(Qubit)數(shù)目研究進(jìn)度1101001000量子通訊量子

2、模擬量子計(jì)算經(jīng)典和量子比特（抽象）經(jīng)典和量子比特（抽象）一個兩態(tài)系統(tǒng)，兩個狀態(tài)分別標(biāo)記為0和1。數(shù)字信息處理，比特在某一時刻狀態(tài)可能是0或者1量子比特在某一時刻狀態(tài)1201aa有些類似于模擬信息處理經(jīng)典和量子邏輯門（抽象）經(jīng)典和量子邏輯門（抽象）經(jīng)典邏輯門：單比特門： 非兩比特門： 和，與，和非，與非， 異或和非門是通用門（Universal），可以構(gòu)成任意門量子邏輯門：單比特門： 2乘2酉矩陣，有無窮多種常用： X，Y，Z，H兩比特門： 4乘4酉矩陣，有無窮多種。常用： CNOT0110111X, Z, H10011121000010000010010AB00 0001 0110 1111

3、10單比特門和CNOT是通用門（Universal），可以構(gòu)成任意門量子線路（抽象）量子線路（抽象）1( 01 ) 0200H1( 01 )20 01( 0011 )2 初始化，經(jīng)過一系列邏輯門（調(diào)控），到末態(tài)（Bell態(tài)） 單比特門，兩比特門，需要時耦合，不需要時自由演化1( 0 01 1 )2量子計(jì)算量子計(jì)算利用了量子態(tài)的疊加性。經(jīng)典 量子一比特12 001aa二比特1234 0100011011aaaa三比特12345678 001000001010100011101110111aaaaaaaa是內(nèi)在的并行計(jì)算。( )xf x121201( )(0)(1)xaaf xa fa f在算法上

4、遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)。量子糾錯量子糾錯 量子比特有些類似于模擬信息處理，受外界干擾會退相干，出錯率很高，因此必須定期進(jìn)行糾錯，才能保證最后結(jié)果正確。 量子糾錯理論指出，為了能實(shí)現(xiàn)可以糾錯的量子計(jì)算，量子系統(tǒng)相干時間至少必須大于邏輯門時間的一萬倍。退相干分為能量馳豫和位相馳豫。T1T2121112TT量子比特的操控（二能級系統(tǒng)）量子比特的操控（二能級系統(tǒng)）01拉比（拉比（Rabi）振蕩）振蕩01量子比特的基本條件量子比特的基本條件0) 0) 具有很好定義的量子比特具有很好定義的量子比特1)1) 能對量子比特進(jìn)行初始化能對量子比特進(jìn)行初始化 ( (輸入輸入) )2)2) 能進(jìn)行單量子門和雙量子門操作

5、能進(jìn)行單量子門和雙量子門操作 ( (計(jì)算計(jì)算) )3)3) 能對量子比特進(jìn)行測量能對量子比特進(jìn)行測量 ( (輸出輸出) )4) 4) 足夠長的相干時間，大于足夠長的相干時間，大于10104 4量子門操作時間量子門操作時間 5) 5) 可以規(guī)模化可以規(guī)?；@些要求互相矛盾。因此選這些要求互相矛盾。因此選擇物理體系來制作量子計(jì)算擇物理體系來制作量子計(jì)算機(jī)要兼顧各種要求。機(jī)要兼顧各種要求。量子比特的物理實(shí)現(xiàn)量子比特的物理實(shí)現(xiàn)各種量子比特比較各種量子比特比較量子點(diǎn)超導(dǎo)量子比特 10nm1nm 1m1尺寸增加，耦合容易退相干時間增加介觀量子比特 光子 核自旋離子、原子 超導(dǎo)量子比特是固態(tài)人工原子超導(dǎo)量子

6、比特是固態(tài)人工原子1100 GHZLC超導(dǎo)約瑟夫森隧道結(jié)超導(dǎo)約瑟夫森隧道結(jié)超導(dǎo)體超導(dǎo)體1( )itsn e2( )itsn e2211sin22scIIdeVdteA dl 00000sin2sin(1 cos )(1 cos )22ttJcccJdEV IdtIdte dtIIdE22CeEC超導(dǎo)電路量子化超導(dǎo)電路量子化IC,cI212TCV021 cosJJUUIEI 00, 22V 0(1 cos )2JIUE20121 cos2JTUCEI 0 2pCC 0, , 2, 2 , CViQienini 1N 運(yùn)動方程運(yùn)動方程Hp2020021 cos2221 cos2JJpEICpEiC

7、 運(yùn)動方程 0ddtUC 超導(dǎo)相位量子比特超導(dǎo)相位量子比特010122zxzHIC01/ ( )/C Re Y fQ1210011005 105 10RC 0.5 ns25Q普通接線要達(dá)到10 s5000002QRM01 三層法 加工尺寸 1010m超導(dǎo)磁通量子比特超導(dǎo)磁通量子比特C(/)exsLIL IVRCdVdt 22dUCdt 20()2cos2exJUEL 01Ux = 0/222zxH 容易受磁場起伏影響，導(dǎo)致退相干?？梢怨ぷ髟谖幌嗄Ｊ?三層法、斜蒸法 加工尺寸 5到0.5m超導(dǎo)電荷量子比特超導(dǎo)電荷量子比特212kkkTC V(1 cos )JUE22zxH CJEE 材料Al，斜

8、蒸法 加工尺寸 5005015nm超導(dǎo)量子比特加工超導(dǎo)量子比特加工SiNbAlNb5 mmDC SQUIDPC qubit早期主要是研究量子相干早期主要是研究量子相干電荷比特的量子相干振蕩：1)樣品尺寸足夠小: 15 nm2)新的快速調(diào)控和測量方法。30-40 psNature 1999, 電荷相位型單量子比特電荷相位型單量子比特電荷磁通比特量子相干振蕩：1)改進(jìn)了超導(dǎo)量子比特的設(shè)計(jì),使它對電荷和磁場的起伏都不敏感。2)g達(dá)到20000。Science 2002, 相位型單量子比特相位型單量子比特位相比特量子相干振蕩：1)設(shè)計(jì)的改進(jìn)：采用大的約瑟夫森結(jié)，電荷和磁場的起伏都不敏感，足夠的LC隔離

9、。2)新的時序測量方法。Science 2002, 100 m磁通型單量子比特磁通型單量子比特磁通比特量子相干振蕩：1)量子比特設(shè)計(jì)加工得更小,測量耦合加強(qiáng)。Science 2003, 當(dāng)代重要突破當(dāng)代重要突破- -單量子比特的量子相干振蕩單量子比特的量子相干振蕩量子相干振蕩：1)定義量子比特,2)初始化單量子比特,3)單量子比特操控,4)量子比特的測量.Nature 1999Science 2002Science 2002Science 2003雙電荷量子比特條件操控雙電荷量子比特條件操控Nature 2003, 雙相位量子比特糾纏雙相位量子比特糾纏Science 2006, 當(dāng)代重要突破當(dāng)

10、代重要突破- -雙量子比特條件操控雙量子比特條件操控設(shè)計(jì)和測量改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)耦合量子比特：1) 雙量子門,2) 規(guī)?；?Nature 2003Nature 2007Science 2006三量子比特的相干調(diào)控三量子比特的相干調(diào)控Nature Comm. 2010, Nature 2010, 量子比特和光子耦合量子比特和光子耦合Nature 2004, 多量子比特和光子耦合多量子比特和光子耦合Nature 2007, 光子儲存信息光子儲存信息Nature 2007, 當(dāng)代重要突破當(dāng)代重要突破- -量子比特和光子強(qiáng)耦合量子比特和光子強(qiáng)耦合量子比特和光子的耦合:1)飛行量子比特,2)信息的儲存,3)集成化.Nature 2004Nature 2007Nature 2007可調(diào)控耦合的探索可調(diào)控耦合的探索退相干時間提高退相干時間提高三維諧振腔三維諧振腔