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超导量子器件与量子信息处理的理论研究

何小灵  
【摘要】: 近年来,量子计算已成为量子力学和计算机科学的交叉的活跃学科。由于相干的数据处理能力,使得量子计算受到物理学和信息科学领域中科研人员的热切关注。基于约瑟夫森结的超导量子计算因其可集成性和良好的可控性以及读取性能,成为量子计算竞赛中的一颗新星。超导量子计算的众多方案,不仅有潜在的技术应用价值,同时也对量子力学基本原理的理解,特别是对宏观量子现象的理解有重要的启示意义。本文将就超导量子器件在量子存贮、量子逻辑门和宏观量子纠缠中的应用及量子退相干的问题等作些探讨。 在本文的第一章和第二章,我们回顾了量子计算的产生背景、特点以及约瑟夫森器件在量子相干操纵和量子计算方面的原理。 第三章阐释了几种超导量子计算方案的工作原理以及国际上的研究进展。在第四章,我们对磁通量子比特和电荷量子比特做了较为深入的探讨。除了对常规的三结磁通比特介绍外,我们用平面波方法精确计算了四个结的磁通比特的能谱和跃迁矩阵元。对电荷比特,我们阐述了非对称SQUID型电荷比特在杂化区域的能谱,从实验的角度来说,非对称SQUID能谱更具有普适性。 在第五章,我们提出一种可控的杂化耦合方案,通过大约瑟夫森结把常见的两大类超导量子比特耦合起来。我们用量子的方法处理了大结,大结在这里充当数据总线功能。作为本耦合方案的应用,我们提出了较为新颖的固态量子存贮器件以及在简并点操纵的条件逻辑门。在第六章,我们用经典的方法处理了大结的耦合方案,得到了与量子处理方法相同的结论,大结在这里充当有效电感的功能。通过调节磁通比特里的SQUID,我们可实现电荷比特和磁通比特的持久的最大纠缠并得到EPR对。 第七章我们提出用微波调频的方法耦合两个电荷比特,两个比特均始终工作在简并点。本方案的优点是调频法相对于调幅法而言,更为快速而准确,实验可操作性强。此外,我们还提出通过与光场纠缠,用这个双比特量子器件去探测光场的统计性质并且通过总的超流来展示其干涉效应。 第八章我们通过与经典布朗运动的朗之万方程比较,形象阐释了固态量子器件在一般噪声环境下退相干的机理。我们用量子主方程方法详细推导了退相干时间,从微观上和经典朗之万方法做个对应。


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