基于超導量子比特的量子計算研究.pdf

1、量子信息學是量子力學與信息科學結合而產(chǎn)生的一門新興學科,其主要包括量子通信和量子計算。由于量子系統(tǒng)具有量子并行、量子糾纏和量子不可克隆等性質(zhì),量子信息具有經(jīng)典信息根本無法比擬的優(yōu)異特性:超快計算、超大容量存儲和絕對安全通信等。進行量子信息處理首先要找尋一個能存儲量子信息的物理載體——量子比特系統(tǒng),包括自然的微觀系統(tǒng)和人造的可控微尺度結構等。
　　超導量子比特是宏觀量子比特,它的幾何尺寸較大,它具有易集成、易調(diào)控、易耦合和易測量的特

2、點;同時能使用現(xiàn)有成熟的超大規(guī)模集成電路技術進行制造;再者超導量子比特在設計和加工上的優(yōu)越性,使我們能夠?qū)⑵渑c別的量子比特結合起來,形成新的性能更優(yōu)異的量子比特。這些優(yōu)點使其在量子信息處理的量子硬件中脫穎而出。
　　構建有效耦合的量子比特網(wǎng)絡是實現(xiàn)量子計算的物理基礎。在量子比特網(wǎng)絡中,實現(xiàn)單比特旋轉(zhuǎn)和兩比特條件門是構建普適邏輯門的基礎,這樣才能進行量子信息處理。由于量子糾纏態(tài)是量子信息處理重要的信息資源,量子信息處理很多方面離不開

3、糾纏態(tài),因而糾纏態(tài)的制備是量子信息處理的基礎工作之一。量子算法是實現(xiàn)量子計算的基礎,量子算法能顯示量子計算機的強大計算能力。多種量子算法物理方案的設計,有助于量子計算機的實現(xiàn)。因此本博士論文致力于研究超導量子比特系統(tǒng),構建超導量子比特網(wǎng)絡、制備糾纏態(tài)以及實現(xiàn)量子算法。論文的主要研究工作為:
　　一、設計了一個超導電荷比特網(wǎng)絡結構。該網(wǎng)絡結構能實現(xiàn)任意兩比特之間的相互作用,即能實現(xiàn)長程相互作用,且能實現(xiàn)普適邏輯門,因此我們的結構在原

4、則上能實現(xiàn)所有量子信息處理方案。此結構具有可擴展和操作簡單高效的優(yōu)點,能用目前的超大規(guī)模集成電路技術制作。同時我們還分析了制作技術不盡完善帶來的影響。
　　二、提出了制備圖態(tài)的物理方案。此方案是基于電感耦合的超導電荷比特網(wǎng)絡結構和約瑟夫森結耦合的超導電荷比特網(wǎng)絡結構,這兩種結構能實現(xiàn)任意兩比特之間的控制操作,所以可以實現(xiàn)任意的圖態(tài),以滿足量子信息處理的需要。本方案中電路參數(shù)控制簡單便捷,具有實驗可行性。因此它是基于超導電荷比特的一

5、個簡單的、可擴展的和容易實現(xiàn)的多種圖態(tài)制備方案。
　　三、提出了制備簇態(tài)的物理方案。該方案是基于電感耦合的超導電荷比特網(wǎng)絡結構和約瑟夫森結耦合的超導電荷比特網(wǎng)絡結構,這兩種電路結構具有可控性和可擴展性,本方案的成功概率和保真度均為1,如果由于實驗技術的不精湛而帶來的殘存耦合會使成功概率和保真度均有所下降,但簇態(tài)還是能制備的,所以這個簇態(tài)制備的物理方案是一個可擴展和可行的方案。
　　四、提出了實現(xiàn)Grover算法的物理方案。該

6、方案是基于電感耦合的超導電荷比特網(wǎng)絡結構和約瑟夫森結耦合的超導電荷比特網(wǎng)絡結構,本方案理想情況下的成功概率和保真度均為1。本方案通過一個公用的元件能使任意兩比特有效地耦合,電路結構制作簡單,在實驗上具有可行性,所以這個方案是簡單高效和易控制的Grover算法優(yōu)化實現(xiàn)方案。
　　五、提出了實現(xiàn)Deutsch-Jozsa算法的物理方案。該方案是基于電感耦合的超導電荷比特網(wǎng)絡結構和約瑟夫森結耦合的超導電荷比特網(wǎng)絡結構,本方案量子邏輯門操