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1、超导量子比特及量子物理问题的研究近年来,超导量子计算的研究有了很大的进展.本文首先介绍了nSQUID新型超导量子比特的制备和研究进展,包括器件的平面多层膜制备工艺和量子相干性的研究.这类器件在量子态的传输速度和二维势系统的基础物理问题研究方面有着很大的优越性.其次,国际上新近发展的平面形式的transmon和Xmon超导量子比特具有更长的量子相干时间,在器件的设计和耦合方面也有相当的灵活性,本文介绍了我们和浙江大学与中国科学技术大学等单位合作逐步完善的这种形式的Xmon器件的制备工艺、制备出的多种耦
2、合量子比特芯片以及参与合作,在国际上首次完成的多达10个超导量子比特的量子态纠缠、线性方程组量子算法的实现和多体局域态等固体物理问题的量子模拟.最后介绍了基于这些超导量子比特器件开展的大量的量子物理、非线性物理和量子光学方面的研究,包括在Autler-Townes劈裂、电磁诱导透明、受激拉曼绝热通道、循环跃迁和关联激光等方面形成的一整套系统和独特的研究成果.关键词:超导量子比特；量子计算；量子模拟；量子光学1引言超导量子电路具有损耗低,量子态的制备、调控和读取灵活以及与现有成熟技术相兼容和容易集成化
3、等诸多优点,目前是实现固态量子计算和量子信息方面的有力竞争者[1−3].近年来,超导量子计算和量子比特的研究取得了巨大的进展,尤其是在器件优化设计、量子相干时间和多比特耦合系统等方面,但在通向实用化的道路上,它们在量子退相干机理、器件的进一步扩展、耦合和量子态的快速传递等方面仍有许多亟待解决的问题[4−6].本文首先介绍了基于双轨排列的负电感超导量子干涉器(nSQUID)这类新型量子比特的研究,它们在耦合器件的量子态传输速度和基础物理问题的研究上有着很大的优越性.这类量子比特的制备过程类似超导位相量
4、子比特,是沿用半导体的平面多层膜工艺.在2013年初以前,国际上除3D腔器件以外的平面器件的量子相干时间最好的在若干微秒,而位相量子比特一般在数百纳秒,因此我们预期nSQUID量子比特的量子相干时间应接近这一量级.经过多年的努力,我们成功完成了nSQUID这类新型量子比特(包括位相量子比特)的制备和器件量子相干性的测量,发展出了一套成熟的超导量子比特制备的多层膜工艺,填补了国内在这一研究领域的空白.另一方面,近年来国际上逐步发展出了平面2D形式的transmon和Xmon器件,量子相干时间已逐步提高
5、到数十微秒,已证明这类新型器件在器件设计和耦合方面具有更大的优越性[6].从2015年开始,我们和浙江大学与中国科学技术大学合作,逐步完善了2D形式的Xmon和transmon器件的制备工艺,制备出了耦合多量子比特芯片,并参与了合作研究,在国际上首次完成了多达10量子比特的量子态的纠缠,同时实现了解线性方程组的量子算法和局域态等固体物理问题的量子模拟.超导量子比特和谐振腔是典型的自旋1/2系统和玻色光子系统,是腔量子电动力学和相关宏观量子现象研究的理想载体[7].我们基于已有的超导量子比特器件,从实
6、验和理论两方面开展了有关量子耗散系统、量子光学和微波激光等方面的研究,在Autler-Townes劈裂、电磁诱导透明、受激拉曼绝热通道、循环跃迁和关联激光等方面形成了一整套系统和独特的研究成果.2新型超导量子比特的制备和研究20×202.1位相和nSQUID型量子比特的制备和研究位相型超导量子比特、平面波导谐振腔及其耦合系统采用了多层膜微纳制备工艺和电子束双倾角蒸发制备约瑟夫森结工艺.图1(a)所示为最后完成的位相量子比特和平面波导谐振腔耦合系统显微镜照片的量子比特部分,右侧中部的叉指电容连接到平面
7、波导谐振腔;图1(b)和图1(c)分别是电子束双倾角蒸发工艺制备完成的单个和两个串联的约瑟夫森结的电子显微镜照片;图1(d)为器件设计图,不同颜色表示不同图形的叠层结构(背景格点尺寸为10µm),它由6―7层膜通过制膜和套刻完成:首层Nb膜图形(灰色)由磁控溅射、光刻、反应离子刻蚀(RIE)制备;第二层Al膜图形(绿色)由电子束套刻制备图形、电子束蒸发、剥离完成;第三层Si膜图形(半透明的小长方形)由等离子增强化学气相沉积(PECVD)、电子束套刻制备图形、反应离子刻蚀制备;第四层Al膜图形(蓝色)
8、由电子束套刻制备图形、电子束蒸发、剥离完成;第五和第六层Al膜图形(红色十字叉处的细条)由电子束套刻制备图形、双角度电子束蒸发(加原位氧化)成约瑟夫森结两电极并剥离完成.另外,部分样品还需由电子束套刻制备图形、电子束蒸发、剥离进行搭桥来避免电流调制时的发热问题[8,9].上述工艺,即包括6―7次成膜及微纳图形的加工等,也同样用来制备nSQUID超导量子比特和电感耦合系统[10].图2所示的是最后完成的样品核心部分的显微镜照片,右下方插图为器件的等效电路图.nSQUID
