超导量子比特的优化与混合量子器件的研究

Superconducting qubits have the advantages of both scalability and controllability. This makes them one of the most promising systems for realizing practical quantum computers. However, currently available superconducting qubits do not have long enough coherence times, so it becomes an active area in recent years to increase their quantum coherence. In this proposed project, we will take the optimization of superconducting qubits and related hybrid quantum circuits as our central tasks. Specifically, our project includes both experimental and theoretical studies in the following three aspects: (1) Optimized superconducting qubit and its coupling to a superconducting coplanar-waveguide resonator, (2) coupling between a superconducting coplanar-waveguide resonator and NV centers in a diamond, and (3) coupling between a superconducting qubit and a nanomechanical resonator.

超导量子比特具有易规模化、易于调控等优点，被广泛认为是实现实用化量子计算机最有可能的方案之一。但其固态电路的属性造成量子相干时间较短，于是有效地增长其量子相干时间是近年国际上的研究热点。如何优化超导量子比特将是本项目的主要研究内容之一，同时还包括利用其它一些量子系统的优势与超导量子比特系统结合，来构筑优化的混合量子系统，例如，超导量子比特与超导微波谐振腔、金刚石中的NV色心和纳米机械振子等的结合，以便实现更长相干时间的量子存储器、更快操作速度的量子逻辑门和更好的信息读取方式等。因此，在本项目中，我们将以优化超导量子比特系统为核心，在（1）超导量子比特的结构优化及其与超导微波谐振腔的耦合，（2）超导微波谐振腔与金刚石中NV色心的耦合， 以及（3）超导量子比特与纳米机械振子的耦合这三个方面开展实验与理论相结合的研究，为推动我国超导量子计算的研究做出新的贡献。

超导量子比特具有易规模化、易于调控等优点，被广泛认为是实现实用化量子计算机最有可能的方案之一，但其量子相干时间还不足够长，尚不能满足大规模量子计算的要求，因此，如何有效地增长其量子相干时间是近年国际上的研究热点。另一方面。诸如金刚石NV色心和钇铁石榴石（YIG）铁磁晶体中的自旋波量子等固体自旋体系具有较好的量子相干特性，可作为量子信息的存储介质。本项目中，我们致力于如何结合现有各量子体系的优势来实现易调控、可规模化的量子信息处理系统， 包括如何从方案和实验工艺上优化超导量子比特，以及有效地耦合超导微波谐振腔、固体自旋体系、纳米机械振子和超导量子比特，以构筑优化的杂化量子系统。. 在本项目的支持下我们按计划的实验方案实现了既定目标，并在某些重要问题上取得了突破。我们理论结合实验对超导量子比特的设计、制备工艺以及测试方案进行了优化，其性能得到提升；通过结构设计实现了超导量子比特与超导微波谐振腔的超强耦合，并观测到了由此超强耦合引起的高阶边带跃迁，为下一步应用于量子信息处理打下了基础；观测到了微波单光子与自旋波量子的强耦合以及其中的一系列非线性效应，这一方面的研究在国际上处于领先地位；实现了超导微波谐振腔阵列的制备和测试，并利用LED源实现了阵列中每个谐振腔的识别，为规模化的量子计算信息读取奠定了基础；成功制备了铝微纳机械振子和单晶金刚石微纳机械振子，分别可以与超导量子比特和固体自旋相耦合，有助于进一步实现多体系构成的杂化量子系统；在理论上我们还针对杂化量子系统和超强耦合量子系统分析设计了非绝热和乐量子计算和量子路由器方案，可为进一步的实验工作提供指导。