电路量子电动力学系统中的单量子态探测和操纵

以超导电路量子电动力学的测试系统为物理平台，以微弱微波信号测试和超导电子学测量为主要实验手段，研究在毫开级低温情况下人工约瑟夫森原子与量子化微波光场相互作用导致的各种新奇物理效应，如量子纠缠、微波波段电磁感应透明、及微波激射等。发展并在实验上实现对人工超导原子宏观量子态及微波量子化光场态的单量子检测和操纵。.以此为基础，研究以微波量子作为耦合超导量子比特的数据总线，建构量子计算网络的有效途径；寻求基于宏观量子态检测和调控技术的微波光量子器件：如微波单光子源、微波光子纠缠源、微波单光子探测器等有效实现方式，并研究这些器件在高水平军用电子对抗中的可能应用。

搭建了以极低温（mK级）无液氦稀释制冷机为核心的超导量子比特单量子态和超导谐振腔微波传输特性测试的实验平台，并实现了超导位相量子比特的非相干比特信号检测和超导谐振腔微波传输S参数的测量；掌握了超导谐振腔的设计、数值仿真和器件制备，成功制作了透射型和吸收型两类超导微波谐振腔，最高品质因子超过一百万。. 提出并发展了一种基于超导谐振腔透射谱测量技术的超导量子比特联合非破坏测量方案。通过这一方法，可以实现腔中大失谐耦合的超导量子比特量子态的非破坏读取：谐振腔的微波透射峰个数表征了量子比特中所叠加的基矢态个数，而峰的高度则表征了该基矢态的叠加几率。利用这一超导比特量子态的读取方法，我们证明了可以大大简化量子态的重构手续，并且可以很方便地运用于对量子力学原理的实验验证中。. 系统研究了电路量子电动力学系统中超导人工原子操纵一维微波辐射的问题。我们的理论计算表明，通过施加合适的外加磁场，可以人为地操纵超导人工原子沿一维长直波导的辐射，实现其微波传输的开关功能；发展了腔量子电动力学系统中原子与量子化腔场相互作用的调控方法，并提出于利用这些调控实现单原子量子态的探测，进而实现著名真空透导Berry几何位相的测量方法；证明了可以利用量子Zeno动力学实现不同量子电动力学腔中人工原子的纠缠态制备。