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基于Josephson效应的量子信息过程

胡勇  
【摘要】: 基于实现量子计算的动机,自上世纪90年代以来,对于量子态的相干操控成为了科学界所关注的焦点。量子计算的最基本的信息单元,是单个二维的Hilbert空间,一般被称为qubit。适合于实现量子计算的物理体系,必须满足如可以被相干的操控,可以被制备到某一特定状态,可以被大规模地集成等一系列判据。然而,现有的几乎所有的物理体系都不能同时满足所有的判据。例如,离子阱体系可以被很好的相干操控,但是它的可扩展性不佳。 本论文讨论的是一类人造的量子体系,小电容超导Josephson量子电路。基于现在的微电子制造工艺,Josephson量子电路具有良好的可扩展性。在这一固体体系中,一些引人注目的重要实验,如单个qubit和两qubit的相干操控,也已经被报道了。然而,要实现超导量子计算,我们仍需要克服的困难也是显而易见的:一方面,超导量子电路会受到环境的影响带来强烈的消相干;另一方面,在Josephson结体系中,qubit之间的耦合通常是固定不可调节的,受此限制,实现普适的量子逻辑门操作并非易事。 本论文致力于讨论和Josephson量子电路相关联的耦合问题与消相干问题。我们的工作集中于: 1.在许多已有的固有耦合量子计算方案中,非近邻的耦合由于强度较弱,常常是被忽略的。我们研究非近邻相互作用对实现量子计算的影响。我们推广了已有的基于最近邻相互作用的壁垒自旋编码方案,使之可以用于消除次近邻相互作用的影响,并展示如何在这种编码方案的基础之上实现普适的量子逻辑门操作。我们还讨论了这种编码方案在Josephson结序列中的应用。 2.我们提出了使用电流偏置的大Josephson结来耦合超导传输线腔的方案。通过对大Josephson结的偏置电流的调控,我们可以实现传输线腔之间的共振—非共振式的可控耦合。我们讨论如何在此耦合体系中实现若干重要量子操作。我们还分析了消相干因素所起的影响。 3.Josephson电荷qubit的相干性常常被低频率的背景噪声所破坏。我们考察了电容耦合的两个Josephson电荷qubit在存在空间关联的低频率噪声下的二阶消相行为。我们所研究的这一模型,不论是在噪声模型还是在处理手段上,都超越了已有的关于耦合qubit消相干的工作。根据已有的实验结果和微观机制,我们猜测了噪声的空间关联性质。由此,我们将计算耦合体系的消相干的问题,简化成为一个单qubit消相干问题,并给出耦合的CPB体系的消相动力学数值模拟。我们的结果表明,耦合qubit的二阶消相并不明显地依赖于噪声的空间关联性质。我们还对应用核磁共振体系中的动力学退耦合技术于耦合CPB体系作出了讨论。


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