超導(dǎo)量子比特與量子物理問(wèn)題的設(shè)計(jì)精品資料

1、 .wd. .wd. .wd. 超導(dǎo)量子比特及量子物理問(wèn)題的研究近年來(lái),超導(dǎo)量子計(jì)算的研究有了很大的進(jìn)展.本文首先介紹了nSQUID新型超導(dǎo)量子比特的制備和研究進(jìn)展,包括器件的平面多層膜制備工藝和量子相干性的研究.這類器件在量子態(tài)的傳輸速度和二維勢(shì)系統(tǒng)的根基物理問(wèn)題研究方面有著很大的優(yōu)越性.其次,國(guó)際上新近開(kāi)展的平面形式的transmon和Xmon超導(dǎo)量子比特具有更長(zhǎng)的量子相干時(shí)間,在器件的設(shè)計(jì)和耦合方面也有相當(dāng)?shù)撵`活性,本文介紹了我們和浙江大學(xué)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位合作逐步完善的這種形式的Xmon器件的制備工藝、制備出的多種耦合量子比特芯片以及參與合作,在國(guó)際上首次完成的多達(dá)10個(gè)超導(dǎo)量子

2、比特的量子態(tài)糾纏、線性方程組量子算法的實(shí)現(xiàn)和多體局域態(tài)等固體物理問(wèn)題的量子模擬.最后介紹了基于這些超導(dǎo)量子比特器件開(kāi)展的大量的量子物理、非線性物理和量子光學(xué)方面的研究,包括在Autler-Townes劈裂、電磁誘導(dǎo)透明、受激拉曼絕熱通道、循環(huán)躍遷和關(guān)聯(lián)激光等方面形成的一整套系統(tǒng)和獨(dú)特的研究成果.關(guān)鍵詞:超導(dǎo)量子比特；量子計(jì)算；量子模擬；量子光學(xué)1引言超導(dǎo)量子電路具有損耗低,量子態(tài)的制備、調(diào)控和讀取靈活以及與現(xiàn)有成熟技術(shù)相兼容和容易集成化等諸多優(yōu)點(diǎn),目前是實(shí)現(xiàn)固態(tài)量子計(jì)算和量子信息方面的有力競(jìng)爭(zhēng)者13.近年來(lái),超導(dǎo)量子計(jì)算和量子比特的研究取得了巨大的進(jìn)展,尤其是在器件優(yōu)化設(shè)計(jì)、量子相干時(shí)間和多比

3、特耦合系統(tǒng)等方面,但在通向?qū)嵱没牡缆飞?它們?cè)诹孔油讼喔蓹C(jī)理、器件的進(jìn)一步擴(kuò)展、耦合和量子態(tài)的快速傳遞等方面仍有許多亟待解決的問(wèn)題46.本文首先介紹了基于雙軌排列的負(fù)電感超導(dǎo)量子干預(yù)器(nSQUID)這類新型量子比特的研究,它們?cè)隈詈掀骷牧孔討B(tài)傳輸速度和根基物理問(wèn)題的研究上有著很大的優(yōu)越性.這類量子比特的制備過(guò)程類似超導(dǎo)位相量子比特,是沿用半導(dǎo)體的平面多層膜工藝.在2013年初以前,國(guó)際上除3D腔器件以外的平面器件的量子相干時(shí)間最好的在假設(shè)干微秒,而位相量子比特一般在數(shù)百納秒,因此我們預(yù)期nSQUID量子比特的量子相干時(shí)間應(yīng)接近這一量級(jí).經(jīng)過(guò)多年的努力,我們成功完成了nSQUID這類新型量

4、子比特(包括位相量子比特)的制備和器件量子相干性的測(cè)量,開(kāi)展出了一套成熟的超導(dǎo)量子比特制備的多層膜工藝,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在這一研究領(lǐng)域的空白.另一方面,近年來(lái)國(guó)際上逐步開(kāi)展出了平面2D形式的transmon和Xmon器件,量子相干時(shí)間已逐步提高到數(shù)十微秒,已證明這類新型器件在器件設(shè)計(jì)和耦合方面具有更大的優(yōu)越性6.從2015年開(kāi)場(chǎng),我們和浙江大學(xué)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作,逐步完善了2D形式的Xmon和transmon器件的制備工藝,制備出了耦合多量子比特芯片,并參與了合作研究,在國(guó)際上首次完成了多達(dá)10量子比特的量子態(tài)的糾纏,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了解線性方程組的量子算法和局域態(tài)等固體物理問(wèn)題的量子模擬.超導(dǎo)量子比特

5、和諧振腔是典型的自旋1/2系統(tǒng)和玻色光子系統(tǒng),是腔量子電動(dòng)力學(xué)和相關(guān)宏觀量子現(xiàn)象研究的理想載體7.我們基于已有的超導(dǎo)量子比特器件,從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面開(kāi)展了有關(guān)量子耗散系統(tǒng)、量子光學(xué)和微波激光等方面的研究,在Autler-Townes劈裂、電磁誘導(dǎo)透明、受激拉曼絕熱通道、循環(huán)躍遷和關(guān)聯(lián)激光等方面形成了一整套系統(tǒng)和獨(dú)特的研究成果.2新型超導(dǎo)量子比特的制備和研究2.1位相和nSQUID型量子比特的制備和研究位相型超導(dǎo)量子比特、平面波導(dǎo)諧振腔及其耦合系統(tǒng)采用了多層膜微納制備工藝和電子束雙傾角蒸發(fā)制備約瑟夫森結(jié)工藝.圖1(a)所示為最后完成的位相量子比特和平面波導(dǎo)諧振腔耦合系統(tǒng)顯微鏡照片的量子比特局部,

6、右側(cè)中部的叉指電容連接到平面波導(dǎo)諧振腔;圖1(b)和圖1(c)分別是電子束雙傾角蒸發(fā)工藝制備完成的單個(gè)和兩個(gè)串聯(lián)的約瑟夫森結(jié)的電子顯微鏡照片;圖1(d)為器件設(shè)計(jì)圖,不同顏色表示不同圖形的疊層構(gòu)造(背景格點(diǎn)尺寸為10m),它由67層膜通過(guò)制膜和套刻完成:首層Nb膜圖形(灰色)由磁控濺射、光刻、反響離子刻蝕(RIE)制備;第二層Al膜圖形(綠色)由電子束套刻制備圖形、電子束蒸發(fā)、剝離完成;第三層Si膜圖形(半透明的小長(zhǎng)方形)由等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、電子束套刻制備圖形、反響離子刻蝕制備;第四層Al膜圖形(藍(lán)色)由電子束套刻制備圖形、電子束蒸發(fā)、剝離完成;第五和第六層Al膜圖形(紅色

7、十字叉處的細(xì)條)由電子束套刻制備圖形、雙角度電子束蒸發(fā)(加原位氧化)成約瑟夫森結(jié)兩電極并剝離完成.另外,局部樣品還需由電子束套刻制備圖形、電子束蒸發(fā)、剝離進(jìn)展搭橋來(lái)防止電流調(diào)制時(shí)的發(fā)熱問(wèn)題8,9.上述工藝,即包括67次成膜及微納圖形的加工等,也同樣用來(lái)制備nSQUID超導(dǎo)量子比特和電感耦合系統(tǒng)10.圖2所示的是最后完成的樣品核心局部的顯微鏡照片,右下方插圖為器件的等效電路圖.nSQUID超導(dǎo)量子比特是一個(gè)具有和雙自由度的系統(tǒng)(即共模CM和差模DM),圖3所示為4種典型的勢(shì)能形狀,其中圖3(b)和圖3(d)可分別作為磁通型和位相型量子比特來(lái)調(diào)控和工作.在此根基上,我們開(kāi)展了對(duì)器件參數(shù)的表征和優(yōu)化

8、,觀測(cè)了量子比特在共模和差模偏置下的環(huán)流特性以及宏觀量子隧穿隨溫度的變化,并與系統(tǒng)二維勢(shì)阱和能級(jí)的理論計(jì)算進(jìn)展了比較.對(duì)器件設(shè)計(jì)進(jìn)展了改進(jìn)后,解決了器件設(shè)計(jì)中共模和差模偏置存在較大的crosstalk的問(wèn)題,器件性能有了進(jìn)一步的改善.2.2超導(dǎo)諧振腔和量子非破壞性測(cè)量超導(dǎo)諧振腔在超導(dǎo)量子比特的研究中扮演著重要的角色,是超導(dǎo)量子電路的重要組元.此外,測(cè)量諧振腔在單光子功率下的品質(zhì)因子,可以方便地表征所制備薄膜材料的性能和加工工藝的影響,最終到達(dá)提高性能的目的.我們系統(tǒng)研究了在不同溫度退火的藍(lán)寶石基片上制備的Al膜超導(dǎo)共面波導(dǎo)諧振腔的性能11.結(jié)果顯示12001400C高溫下退火處理,可以使基片外

9、表形成原子平整臺(tái)階,進(jìn)一步采用電子束蒸發(fā)制備Al膜,隨后通過(guò)電子束曝光和濕法刻蝕Al制備出1/4波長(zhǎng)超導(dǎo)共面波導(dǎo)諧振腔.制備的Al膜共面波導(dǎo)諧振腔在極低溫(20mK)單光子水平下測(cè)量得到的內(nèi)部Q值可以到達(dá)3105以上,最高的超過(guò)5105.這一結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的采用電子束蒸發(fā)制備的Al薄膜諧振腔的結(jié)果 基本相當(dāng),而且利用一樣工藝制備的Xmon量子比特和讀出諧振電路測(cè)量的退相干時(shí)間到達(dá)30s以上,說(shuō)明制備工藝到達(dá)了較高水平.為了到達(dá)減小諧振腔的尺寸,增加芯片上器件的集成度,還制備了具有階躍阻抗構(gòu)型的超導(dǎo)共面波導(dǎo)諧振腔的品質(zhì)因子Q.這種類型的諧振腔不但可以減小腔的程度(減小30%),還可以減小高頻諧波

10、的干擾.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,利用生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基片上的Al薄膜制備的階躍阻抗諧振腔在極低溫(20mK)和單光子功率下的本征Q值與常規(guī)共面波導(dǎo)諧振腔的結(jié)果相當(dāng),顯示了其用于量子電路中的可行性11.超導(dǎo)量子比特和諧振腔構(gòu)成的耦合系統(tǒng),即量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),已成為超導(dǎo)量子計(jì)算研究的 基本單元,而一個(gè)超導(dǎo)多能級(jí)與諧振腔耦合的體系還尚未有系統(tǒng)的研究報(bào)道.我們利用超導(dǎo)位相量子比特其能級(jí)間距容易在較大范圍內(nèi)調(diào)控的特點(diǎn),從實(shí)驗(yàn)上研究了一個(gè)超導(dǎo)四能級(jí)與諧振腔耦合系統(tǒng)的能譜(圖5).理論上我們構(gòu)建了耦合系統(tǒng)的哈密頓量并考慮了各種量子弛豫過(guò)程,通過(guò)本征值問(wèn)題和主方程的求解,很好地描述了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的能譜和譜線的強(qiáng)度.這些研究結(jié)果

11、為利用超導(dǎo)多能級(jí)與諧振腔耦合系統(tǒng)進(jìn)展的豐富的根基物理研究和量子計(jì)算應(yīng)用研究都提供了很好的根基.2.3Xmon型量子比特的研究Xmon型超導(dǎo)量子比特具有二維平面工藝器件的特征,易于實(shí)現(xiàn)多比特的耦合,而且顯示出較長(zhǎng)的退相干時(shí)間,是實(shí)現(xiàn)多比特超導(dǎo)量子電路一個(gè)具有競(jìng)爭(zhēng)力的方案,目前國(guó)際上Google/UCSB以及IBM和Intel/Delft等主要研究團(tuán)隊(duì)都集中在這一方案上,希望在包含約50個(gè)Xmon超導(dǎo)量子比特的量子芯片上實(shí)現(xiàn)特定算法或問(wèn)題上超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì).近年來(lái),我們和浙江大學(xué)合作開(kāi)場(chǎng)了Xmon型多比特器件的制備研究,后又有中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)一起參加.為了獲得高的退相干時(shí)間,采用藍(lán)寶石

12、基片制備器件.由于藍(lán)寶石是絕緣體,不像Si基片具有一定的導(dǎo)電性,因此在電子束曝光過(guò)程中要防止電荷堆積的影響.利用在Si襯底上積累的工藝經(jīng)歷,比較快地摸索出一套工藝流程,很快制備出Xmon型量子比特器件.首批制備的包含三個(gè)量子比特器件測(cè)量的結(jié)果顯示,退相干時(shí)間均在3s左右,說(shuō)明器件的制備工藝具有較好的一致性.但同時(shí)也注意到退相干時(shí)間還較短,分析認(rèn)為是薄膜制備過(guò)程中工藝的問(wèn)題,導(dǎo)致缺陷較多引起退相干.通過(guò)測(cè)量一樣工藝生長(zhǎng)的薄膜制備的共面波導(dǎo)諧振腔,其單光子水平下品質(zhì)因子在104量級(jí),與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果有差距,說(shuō)明諧振腔缺陷較多.通過(guò)摸索改進(jìn)工藝后,性能有顯著提高.在隨后制備的五個(gè)量子比特樣品上測(cè)量的

13、結(jié)果顯示所有量子比特的退相干時(shí)間都到達(dá)了約15s,最高在20s以上,性能有了顯著提高.在此根基上先后制備了5比特、6比特、9比特、10比特等多種形式的超導(dǎo)量子芯片.在這些芯片上,浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理所以及福州大學(xué)等合作,先后開(kāi)展了一系列的量子實(shí)驗(yàn).例如利用4個(gè)一維排列的Xmon比特(圖7),演示了用于解線性方程組的HHL量子算法.HHL算法是A.W.Harrow,A.Hassidim和S.Lloyd在2009年提出的一個(gè)求解線性方程組的算法,可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)加速的求解速度.由于線性方程組在科學(xué)研究和工程應(yīng)用上有大量的應(yīng)用,這個(gè)算法有非常大的應(yīng)用前景.該算法經(jīng)過(guò)數(shù)年的開(kāi)展,被證

14、明有望應(yīng)用于人工智能和大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域,因此近年來(lái)受到很多關(guān)注.該量子算法已經(jīng)在光子和核磁共振系統(tǒng)中演示過(guò),這是首次在一個(gè)具有可擴(kuò)展性的固態(tài)系統(tǒng)中演示.由于比特?cái)?shù)有限,使用其中的一個(gè)比特作附屬比特,一個(gè)作輸入比特,剩下的兩個(gè)比特作存放器比特.求解的是一個(gè)22的線性方程組,并對(duì)算法步驟做了一些適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化.整個(gè)求解線路包含6個(gè)單比特門和9個(gè)雙比特門,完成計(jì)算操作后,采用StateTomography測(cè)量來(lái)檢驗(yàn)結(jié)果,最后測(cè)得整個(gè)量子過(guò)程的保真度為83.7%.3量子物理、量子光學(xué)和量子模擬研究超導(dǎo)量子電路是以約瑟夫森結(jié)為 基本組件并與其他微電子學(xué)元件共同構(gòu)成的多能級(jí)量子系統(tǒng),這些能級(jí)可以通過(guò)外加的微波電

15、磁場(chǎng)調(diào)控,因此也被稱為超導(dǎo)人工原子7.二能級(jí)和三能級(jí)超導(dǎo)人工原子在被廣泛地用于研究實(shí)現(xiàn)量子比特和量子信息處理的同時(shí),也被用來(lái)研究微波段的非線性物理、原子物理和量子光學(xué)現(xiàn)象.這些研究不僅拓展了人們對(duì)物質(zhì)與電磁場(chǎng)相互作用本質(zhì)的理解,同時(shí)也為操控量子比特狀態(tài)提供了可靠的技術(shù)手段.3.1超導(dǎo)位相量子比特中的量子隨機(jī)同步現(xiàn)象同步(synchronization)是非線性系統(tǒng)中的一個(gè)普適概念,它被廣泛地應(yīng)用于物理、生物、化學(xué)、電子、地質(zhì)甚至與社會(huì)科學(xué)中.隨機(jī)同步(stochas-ticsynchronization)是其重要的一類,一個(gè)突出的例子是非線性系統(tǒng)的隨機(jī)過(guò)程在噪聲的影響下與周期性外力取得同步.這

16、種現(xiàn)象有意思的是噪聲一般被認(rèn)為是趨向于破壞物理過(guò)程的.在過(guò)去的20多年中,隨機(jī)同步現(xiàn)象已經(jīng)獲得了廣泛的關(guān)注和研究,并在經(jīng)典系統(tǒng)中觀察到了豐富的現(xiàn)象.然而在量子區(qū)域尚無(wú)實(shí)驗(yàn)報(bào)道.在量子系統(tǒng)中,粒子符合量子力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,它的一個(gè)最 基本的原理就是量子態(tài)的相干疊加,并且粒子可以隧穿過(guò)高于其能量的勢(shì)壘.此外,系統(tǒng)受到噪聲的影響與經(jīng)典系統(tǒng)不同,即使系統(tǒng)處于絕對(duì)零度下,量子系統(tǒng)仍然會(huì)受到量子噪聲的作用,具有零點(diǎn)能,使粒子有一定的概率隧穿過(guò)勢(shì)壘.在量子系統(tǒng)中會(huì)發(fā)生一些新奇的現(xiàn)象,比方隧穿相干破壞、隨溫度升高的耗散相干穩(wěn)定性、量子隨機(jī)共振的線性響應(yīng)和非線性響應(yīng).3.2超導(dǎo)三能級(jí)系統(tǒng)中的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象在量子

17、光學(xué)和原子物理的研究中,人們發(fā)現(xiàn)一束被介質(zhì)吸收的某一頻率的光可以被另一束被介質(zhì)吸收的不同頻率的光調(diào)制,從而使得介質(zhì)不再對(duì)第一束特定頻率的光吸收.為了方便,下面我們把第二束光稱為驅(qū)動(dòng)光,前一束光稱為探測(cè)光.利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)很多有趣的物理現(xiàn)象.進(jìn)而人們發(fā)現(xiàn)第二束光導(dǎo)致第一束光不吸收的 基本物理機(jī)制有兩種,一種稱為電磁誘導(dǎo)透明,另一種稱為Autler-Townes分裂.前者是由量子干預(yù)效應(yīng)引起,而后者是強(qiáng)光導(dǎo)致的能級(jí)分裂.粗略地說(shuō),這兩個(gè)現(xiàn)象的主要區(qū)別是前者的第二束光是弱驅(qū)動(dòng)光,而后者的第二束光是強(qiáng)驅(qū)動(dòng)光.強(qiáng)弱驅(qū)動(dòng)的零界閾值與三能級(jí)系統(tǒng)各能級(jí)的衰減率有關(guān).這些現(xiàn)象在超導(dǎo)量子電路中的研究可以為微波

18、信號(hào)的調(diào)控提供堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)根基.然而超導(dǎo)量子比特電路中電磁誘導(dǎo)透明一直難以得到實(shí)驗(yàn)的演示7.我們分析了一系列不同構(gòu)型的超導(dǎo)量子電路的性質(zhì),于2014年發(fā)現(xiàn)了18超導(dǎo)三能級(jí)系統(tǒng)中不能實(shí)現(xiàn)電磁誘導(dǎo)透明的主要原因是三能級(jí)系統(tǒng)的衰減率不能滿足電磁誘導(dǎo)透明的條件,接著我們給出了在超導(dǎo)量子電路中實(shí)現(xiàn)電磁誘導(dǎo)透明的條件以及區(qū)分與其相類似的Autler-Townes分裂的閾值條件.根據(jù)我們給出的條件,人們通過(guò)工程三能級(jí)transmon超導(dǎo)量子比特電路,演示了電磁誘導(dǎo)透明的特征.然而由于樣品的質(zhì)量,特征不是非常明顯.因此,我們于2016年進(jìn)一步從理論上設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)大失諧下的超導(dǎo)二能級(jí)(量子比特)和單模微波場(chǎng)系

19、統(tǒng),從而由量子比特和微波腔場(chǎng)構(gòu)成了能級(jí)可調(diào)的混合系統(tǒng),如圖12所示.我們發(fā)現(xiàn)此混合系統(tǒng)能級(jí)的衰減率也可以通過(guò)經(jīng)典驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的頻率和強(qiáng)度進(jìn)展調(diào)制,從而較為容易地滿足電磁誘導(dǎo)透明的條件19.美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家與我們合作,根據(jù)我們的這一理論設(shè)計(jì)方案,于2017年用實(shí)驗(yàn)演示了電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象20.與此同時(shí),美國(guó)馬里蘭大學(xué)也用腔量子電動(dòng)力學(xué)的方法演示了電磁誘導(dǎo)的透明現(xiàn)象.然而在他們的實(shí)驗(yàn)中抽運(yùn)光是通過(guò)雙光子過(guò)程施加于transmon量子比特和微波腔場(chǎng)構(gòu)成的三能級(jí)系統(tǒng),探測(cè)光是施加在受激發(fā)的第二與第三能級(jí)之間.因此,為了觀測(cè)到電磁誘導(dǎo)透明,第二能級(jí)必須保存激發(fā)狀態(tài).另外,此三能級(jí)系統(tǒng)的衰減率是不可調(diào)的.然而我們

20、的理論19和實(shí)驗(yàn)20中抽運(yùn)和探測(cè)全部是單光子過(guò)程,且混合三能級(jí)系統(tǒng)的衰減率可以通過(guò)經(jīng)典電磁場(chǎng)進(jìn)展調(diào)控.3.3受激拉曼絕熱通道現(xiàn)象受激拉曼絕熱通道(STIRAP)是原子物理和量子光學(xué)中進(jìn)展量子調(diào)控的有效手段.我們首次在具有階梯型躍遷構(gòu)造的三能級(jí)超導(dǎo)量子電路中實(shí)現(xiàn)了通過(guò)STIRAP的量子態(tài)相干轉(zhuǎn)移.通過(guò)一對(duì)仔細(xì)調(diào)制的微波脈沖,成功地在耦合非常弱的基態(tài)與第二激發(fā)態(tài)之間實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)的相干轉(zhuǎn)移,如圖13所示.目前最常見(jiàn)的位相型和Xmon型超導(dǎo)三能級(jí)量子系統(tǒng)均具有階梯型躍遷構(gòu)造,它們的基態(tài)和第二激發(fā)態(tài)間的耦合十分微弱或?yàn)榱?以前在此情況下量子態(tài)的轉(zhuǎn)移通常是通過(guò)連續(xù)的兩個(gè)脈沖來(lái)完成,但這種操作對(duì)脈沖參數(shù)的設(shè)置要求十分嚴(yán)格.我們證明了通過(guò)STIRAP過(guò)程的量子態(tài)相干轉(zhuǎn)移對(duì)頻率和脈沖參數(shù)的要求十分寬松,量子態(tài)轉(zhuǎn)移效率在位相型和Xmon型超導(dǎo)量子比特中分別到達(dá)72%和97%以上.進(jìn)一步對(duì)共振亮態(tài)和共振暗態(tài)的測(cè)量結(jié)果(圖14)也在頻率域上證實(shí)了STIRAP過(guò)程.這種量