单量子比特的量子相干振荡-超导国家重点试验室.PPT

经典和量子逻辑门（抽象） 量子线路（抽象） 量子计算 量子纠错 量子比特的操控（二能级系统） 拉比（Rabi）振荡 量子比特的基本条件 各种量子比特比较 超导相位量子比特 超导磁通量子比特 超导电荷量子比特 超导量子比特加工 三量子比特的相干调控 Nature Comm. 2010, Nature 2010, 量子比特和光子耦合 Nature 2004, 多量子比特和光子耦合 Nature 2007, 光子储存信息 Nature 2007, 当代重要突破-量子比特和光子强耦合 量子比特和光子的耦合: 1)飞行量子比特, 2)信息的储存, 3)集成化. Nature 2004 Nature 2007 Nature 2007 可调控耦合的探索 退相干时间提高 三维谐振腔, 没有控制线。 T1 = 60 微秒, T2 = 14 微秒 规模化途径的探索 PRL 2011 Qubit 能级可调 谐振子存储信息 数据线传输信息 单比特, M→Q 2比特,Q→B→Q 第一台商用量子计算机——超导绝热量子计算 8比特宏观量子隧穿 谢 谢！ 基于超导量子比特量子计算 于 扬 南京大学物理系 固体微结构国家实验室 物理所, 2011/9/23, 北京 提 要 量子比特和量子计算 基于超导量子器件的量子比特 目前发展状况和前景 最小CMOS尺寸只有30nm，栅氧厚度3个原子层。 Moore定律的挑战迫切呼唤新的信息技术 量子调控技术深入到单量子态层次 量子信息正是挑战和发展的交汇。 在基础理论上，研究量子理论在各方面的拓展和应用。 实现量子通讯、模拟、计算，具有巨大潜在应用前景。 量子比特(Qubit)数目 研究进度 1 10 100 1000 量子通讯 量子模拟 量子计算 经典和量子比特（抽象） 一个两态系统，两个状态分别标记为0和1。 数字信息处理，比特在某一时刻状态可能是0或者1 量子比特在某一时刻状态 有些类似于模拟信息处理 经典逻辑门：单比特门： 非 两比特门： 和，与，和非，与非， 异或 和非门是通用门（Universal），可以构成任意门 量子逻辑门：单比特门： 2乘2酉矩阵，有无穷多种 常用： X，Y，Z，H 两比特门： 4乘4酉矩阵，有无穷多种。常用： CNOT A B 00 00 01 01 10 11 11 10 单比特门和CNOT是通用门（Universal），可以构成任意门 0 0 H 初始化，经过一系列逻辑门（调控），到末态（Bell态） 单比特门，两比特门，需要时耦合，不需要时自由演化 利用了量子态的叠加性。 经典 量子 一比特 二比特 三比特 是内在的并行计算。 在算法上远远优于经典计算机。 量子比特有些类似于模拟信息处理，受外界干扰会退相干，出错率很高，因此必须定期进行纠错，才能保证最后结果正确。 量子纠错理论指出，为了能实现可以纠错的量子计算，量子系统相干时间至少必须大于逻辑门时间的一万倍。 退相干分为能量驰豫和位相驰豫。 T1 T2 0 1 0 1 0) 具有很好定义的量子比特 能对量子比特进行初始化 (输入) 能进行单量子门和双量子门操作 (计算) 能对量子比特进行测量 (输出) 4) 足够长的相干时间，大于104量子门操作时间 5) 可以规模化 这些要求互相矛盾。因此选择物理体系来制作量子计算机要兼顾各种要求。 量子比特的物理实现 　 量子点 超导量子比特 10nm 1nm 1μm 1? 尺寸增加，耦合容易 退相干时间增加 介观量子比特 　 光子 核自旋 离子、原子 超导量子比特是固态人工原子 超导约瑟夫森隧道结 超导体 超导体 超导电路量子化 ? ? 运动方程 ? 运动方程 ? ? 普通接线 要达到 0 1 三层法 加工尺寸 10?10?m 0 1 ? U ?x = ?0/2 容易受磁场起伏影响，导致退相干。可以工作在位相模式 三层法、斜蒸法 加工尺寸 5到0.5?m 材料Al，斜蒸法 加工尺寸 500?50?15nm Si Nb Al Nb 5?m DC SQUID PC qubit 早期主要是研究量子相干 电荷比特的量子相干振荡： 1)样品尺寸足够小: 15 nm 2)新的快速调控和测量方法。30-40 ps Nature 1999, 电荷相位型单量子比特 电荷－磁通比特量子相干振荡： 1)改进了超导量子比特的设计,使它对电荷和磁场的起伏都不敏感。 2)Ｑ＝Ｔ?／Ｔg　达到　20000。 Science 2002, 相位型单量子比特 位相比特量子相干振荡： 1)设计的改进：采用大的约瑟夫森结，电荷和磁场的起伏都不敏感，足够的LC隔离。 2)新的时序测量方法。 Science 2