物理所, 2011/9/23, 北京 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

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

Moore定律的挑战迫切呼唤新的信息技术 最小CMOS尺寸只有30nm，栅氧厚度3个原子层。

量子调控技术深入到单量子态层次

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。 研究进度 1 10 100 1000 量子通讯 量子模拟 量子计算 量子比特(Qubit)数目

数字信息处理，比特在某一时刻状态可能是0或者1 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

经典和量子逻辑门（抽象） 经典逻辑门：单比特门： 非 两比特门： 和，与，和非，与非， 异或 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 00 00 01 01 10 11 11 10 A B 单比特门和CNOT是通用门（Universal），可以构成任意门

量子线路（抽象） 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

量子计算 利用了量子态的叠加性。 一比特 二比特 三比特 经典 量子 是内在的并行计算。 在算法上远远优于经典计算机。

T1 T2 量子纠错 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。 退相干分为能量驰豫和位相驰豫。 T1 T2 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。

量子比特的操控（二能级系统） 1

拉比（Rabi）振荡 1

量子比特的基本条件 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) 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

介观量子比特 各种量子比特比较 光子 核自旋 离子、原子 量子点 超导量子比特 尺寸增加，耦合容易 退相干时间增加 1Å 1nm 10nm

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

超导电路量子化  

运动方程  运动方程 

超导相位量子比特 1 普通接线 要达到 三层法 加工尺寸 1010m

1 超导磁通量子比特 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 U x = 0/2 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

超导电荷量子比特 材料Al，斜蒸法 加工尺寸 5005015nm

超导量子比特加工 Nb Al Nb Si 5m DC SQUID PC qubit

早期主要是研究量子相干 Nature 1999, 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

电荷相位型单量子比特 Science 2002, 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。

相位型单量子比特 100 m Science 2002, 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。

磁通型单量子比特 Science 2003, 磁通比特量子相干振荡： 1)量子比特设计加工得更小,测量耦合加强。

当代重要突破-单量子比特的量子相干振荡 Science 2002 Nature 1999 Science 2002 量子相干振荡： 1)定义量子比特, 2)初始化单量子比特, 3)单量子比特操控, 4)量子比特的测量.

双电荷量子比特条件操控 Nature 2003,

双相位量子比特纠缠 Science 2006,

当代重要突破-双量子比特条件操控 Science 2006 Nature 2003 Nature 2007 设计和测量改进，实现耦合量子比特： 双量子门, 规模化.

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 Nature 2004 Nature 2007 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.

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 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 PRL 2011

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

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