超导量子电路中单量子态的相干操控和测量

Superconducting quantum circuits based on Josephson junctions can not only be used as qubits to study superconducting quantum computing but also be acted as artifical atoms to explore atomic physics and quantum optical problems on a chip. Manipulation and readout of single quantum state are basic issues in both studies. In this proposal, we will carry out following experiments such as Electromagnetically Induced Transparency ( EIT), Aulter-Townes splitting, vacuum Rabi oscillation and preparing Fock states to realize manipulation of single macroscopic quantum states in three-level atoms and circuit quantum electrodynamics (circuit QED) systems. Besides, we also realize Quantum Non-Demalition measurements (QND) used dispersive readout technique in superconducting quantum bit. These experiments provide a good foundation for understanding the difference between natural atoms and artifical atoms, expanding research field of solid quantum circuits ， accurate manipulation and precise readout of single quantum state in superconducting quantum computing.

基于约瑟夫森结的超导量子电路既可以作为量子比特来开展量子计算的研究，又可以作为固态人工原子在芯片上实现原子物理和量子光学等实验的基础研究。这些研究中，单量子态的相干操控和测量是两个基本课题。在本项目中我们通过电磁诱导透明、Aulter-Townes 劈裂、真空拉比振荡和Fock 态制备的实验来开展三能级人工原子和电路量子电动力学中单量子态的调控研究；通过色散读取方案来实现超导量子比特的非破坏性测量。这些实验的开展为理解自然原子与人工原子的差别、拓展固态量子电路的研究领域，为超导量子计算中单量子态的精确操控和精密测量打下良好的研究基础。

整个项目的实施按照项目计划书中的年度计划执行，根据研究内容和研究目标，我们制备出长寿命的超导量子比特（能量弛豫时间达到33微秒）和高品质因子的共面波导谐振腔（品质因子大于1百万），搭建出三套量子非破坏性测量系统，实现了对超导量子电路中的单量子态的高精度的操控和高保真度的测量，系统地研究了基于单量子比特三能级或四能级人工原子的量子现象，如ATS、暗态、真空拉比振荡等现象，把原子物理和量子光学中的部分概念从自然原子扩展到人工原子。并在此基础上，开展了一些有特色的工作，如新型量子比特、谐振腔、空气桥制备工艺的改进；利用无磁涂料实现红外线的有效屏蔽、多比特样品的立体化封装、纠缠态量子tomography的测量、超强驱动下拉比模型的量子模拟以及构建出一台量子模拟器，该模拟器可以对新奇拓扑材料（时间-空间联合保护的狄拉克半金属、weyl半金属、麦克斯韦半金属以及hopf-link半金属）的能带结构进行有效的量子模拟，受益于微波参量空间容易调控的优势，可以对不同材料的拓扑陈数、量子相变进行观测。在项目执行期间，共发表了标注的sci论文22篇，培养研究生9人，整体而言，完成了计划书/申请书中的研究内容和目标。