超导磁通量子比特研究

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1、图作者姓名：指导教师：学位类别：学科专业：研究所：中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文超导磁通量子比特研究吴玉林郑东宁研究员中国科学院物理研究所理学博士壁鐾查塑堡生垦型堂堕塑型煎嚣匝2013年5月1n'●●●1f●堂_abrlCatlonanCL上VleaSUrememBy物lin何勿ADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequir

2、ementForthedegreeofDoctorofScienceInstituteofPhysicsChineseAcademyofSciencesMay’2013摘要超导量子电路既是实现量子计算的一种非常有潜力的方案，同时又是少数几个可以直接观测验证基本量子力学规律的宏观系统，这使超导量子电路是一个既有实际运用价值，同时又具有基础物理研究意义的领域。本论文详细研究了超导量子电路中的磁通量子比特，主要包括两部分内容。本论文第一部分工作是磁通量子比特样品的制备，这一部分的核心工作是制备约瑟夫森结。从搭建一台具有斜角度蒸发和可控原

3、位氧化功能的电子束蒸发设备开始，通过不断摸索改进微加工工艺和可控氧化工艺，成功制备了备具有可控结面积和可控临界电流密度的AI／AIO。／At约瑟夫森结，结面积最小可NO．Ol#m2，最大可超过l#m2。在制备出性能满足超导量子比特需要的约瑟夫森结以后，进一步设计并制备了超导量子比特样品，这包括电容，电阻等各种芯片上微元件的制备。本论文的第二部分工作是对制备的磁通量子比特进行测量。从最基本的测量方案开始，通过开发测量控制软件，并不断改进测量方法，测量到了量子比特能谱，量子相干Rabi振荡，Rabi振荡退相干时间常数％o抚约80ns，

4、激发态弛豫时间T1>300ns。除了对单个磁通量子比特的测量外，我们还进行了对耦合磁通量子比特的测量工作，测量到了能谱结构。本论文工作是国内到目前为止能在自行制备的磁通量子比特样品上测量到量子相干信号的唯一工作，并且据我们所矢NRabi振荡退相干时间是国内到目前为止所有超导量子比特测量中的最好结果。关键词：约瑟夫森结，量子计算，超导量子比特，磁通量子比特，SQUIDAbstractBesidesservingaspromisingcandidatesforrealizingquantumcomputing，superconduct

5、ingquantumcircuitsareamongafewmacroscopicphysicalsystemsinwhichfundamentalquantumphenomenacanbedirectlydemonstratedandtested，givingrisetoavastfieldofintensiveresearchworkboththeoreticalandexperimental．ThisPhDthesiscoversmyresearchworkonsuperconductingquantumcir—cuits．

6、focusingOilsuperconductingfluxqubits，whichCallbesummarizedalsbelow：Thefirstpartisaboutsamplefabrication．Firstwehavebuiltadedicat—edelectronbeamevaporatorforshadowevaporationandcontrolledoxidation，thenwithsystematicalresearchonimprovingmicro—fabricationandoxidationtech

7、niques，wehavefabricatedhighqualityA1／AlOz／A1aluminumJosephsonjunctionssuitableforqubitapplications．WecanfabricateJosephsonjunctionswithjunctionsizesfromassmallas0．Ol#m2uptol#m2．Furthermore，wehavefabricatedsuperconductingquantumcircuitssuchassuperconductingfluxqubitsan

8、dcharge—fluxqubits．Thesecondpartisaboutfluxqubitmeasurement．Afterdevelopingasu—perconductingqubitmeasurementsystemwhichfeatu