超导线路量子电动力学中基于FPGA控制的远程系统上的量子信息研究

Circuit Quantum Electrodynamics (cQED) is a very promising approach for quantum information processing. It has been demonstrated theoretically that register-based hybrid quantum computation scheme may be more feasible than a single large quantum system with thousands of qubits in operating. To realize the register-based hybrid quantum computation scheme, we should master the experimental technology on remote systems. Inevitable noise is still the main limitation for practical quantum computers. We can protect quantum information by quantum encoding and quantum error correction (QEC). So far, on-demand quantum state transfer and entanglement between remote microwave cavity memories has been realized by Yale’s group, which is still blank in China. In this project, we are committed to realize an FPGA control system for a remote 3-dimensional (3D) cQED system, and realize quantum state transfer and entanglement between remote microwave cavity memories. Moreover, we want to realize QEC experiment on it. Therefore, we will develop the FPGA control system, fabricate the device, and then do the measurement. This project will represent an important step towards fault-tolerant quantum computation based on register-based hybrid quantum computation scheme.

超导线路量子电动力学目前被认为是最有可能实现通用量子计算机的实验体系之一。有理论证明，基于小型寄存器的分离式量子计算可能会比基于单个的大型系统的量子计算更具有可行性。要实现这种量子计算方式，远程系统的控制技术需要掌握。在实际的量子实验系统中，不可避免的噪声是量子计算发展的最重要的制约因素，解决办法就是进行量子纠错。目前，基于超导线路量子电动力学的远程系统的态传输和纠缠态实验已经被国外的实验组实现了，但是国内还没人进行这部分研究，并且超导领域在远程系统上的量子纠错实验目前国际上还没有人实现。本项目就是要在超导系统中实现基于FPGA控制的远程量子系统，并在其上实现态传输，纠缠态以及量子纠错等实验。为此，我们将开发相应的FPGA测量反馈控制系统，制作样品并实现远程连接，完成理论模拟并最终进行实验测量。这个项目将为实现通用的，容错的，基于分离式寄存器理论的量子计算机迈出重要一步。

识别、量化和抑制量子比特中的退相干机制是实现量子计算机或量子模拟器工程目标的重要步骤。 超导电路为量子比特设计提供了灵活性； 然而，它们的性能会受到准粒子（断裂的库珀对）影响。 因此，非常需要发展一种与可扩展的高相干性的比特结构兼容的准粒子缓解策略。这里，我们通过实验演示了如何通过缩小比特尺寸、用金属盖盖住它或为其配备合适的准粒子陷阱来控制准粒子的产生。利用芯片倒装技术，我们重塑了比特上方的电磁环境，有效抑制了准粒子中毒。我们的研究结果支持这样的假设，即准粒子的产生是由结处库珀对的断裂主导的，这是天线状比特结构吸收光子的结果。我们实现了创纪录的低准粒子遂穿速率 (<1 Hz)。我们的样品在离散的电荷偏置跳变方面也表现出更高的稳定性。