超导量子比特器件制备与测控

论文摘要

腔量子电动力学(QED)是研究光与物质的基本相互作用,如果一个原子和一个光子在一个与外界隔离良好的谐振腔内相互作用,二者之间将具有很强的耦合而不会使能量耗散。在这种强耦合限制下,原子不断地吸收和释放单个量子能量。光子和原子失去了各自的特性,形成新的本征态即物质和光的量子叠加态。以此类比,电路QED是一种新颖的腔QED芯片实现。它提供了在3D腔或共面波导谐振腔中实现人工原子——超导量子比特与微波谐振腔中光子之间强耦合的可能性。这种研究物质与光相互作用的新固态方法,可以对参数进行人为控制和更改,为进行新的量子光学实验打开了大门。此外,多个超导量子比特谐振腔与一个量子总线耦合是实现可扩展量子信息处理器的一种有前途的硬件结构。在本文中,我将讨论由集成到超导共面波导谐振器中的铝/氧化铝约瑟夫森结量子比特组成电路QED系统理论模型,详细介绍利用光刻技术、湿法腐蚀技术和铝薄膜蒸发法制备的高质量谐振器和约瑟夫森结,实现具有精确控制特性的超导量子比特的能力,如约瑟夫森能和电荷能。对于定义特定的量子比特能级结构是至关重要的,在一般情况下,为了进行特定的电路QED实验,必须经过反复测试控制量子比特的最大跃迁频率、非谐度、电荷色散以及量子比特与腔体之间的耦合强度。这因此需要一套非常严格的制备工艺:标定电子束曝光剂量和双角度蒸发制备约瑟夫森结氧化时间等工艺参数;研究了铝/氧化铝约瑟夫森结的电学性能和材料性能,如室温隧道电阻、氧化过程引起的电阻随时间的变化。同时考虑到超导量子比特的退相干时间限制,我们一方面考虑利用绝热捷径技术模拟量子比特态的演化,从而在有限的时间内能够快速稳定的控制量子比特。另一方面,我们根据磁通量子比特的弊端加以改进尝试提高退相干时间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 历史背景
•   1.2 量子比特
•     1.2.1 单量子比特门
•     1.2.2 多量子比特门
•   1.3 量子比特相干性
•   1.4 本文的结构
• 第二章 电路量子电动力学
•   2.1 超导量子比特
•     2.1.1 LC电路
•     2.1.2 Transmon量子比特
•   2.2 量子比特与谐振腔耦合——JC模型
•   2.3 色散体系
•   2.4 共面波导传输线与谐振腔
•   2.5 三维谐振腔
•   2.6 本章小结
• 第三章 超导量子器件的设计与制备
•   3.1 量子比特设计
•     3.1.1 电荷能与耦合
•     3.1.2 约瑟夫森能
•   3.2 共面波导谐振腔制备
•     3.2.1 基片处理
•     3.2.2 电子束蒸发铝膜
•   3.3 量子比特的制备
•   3.4 本章小结
• 第四章 量子比特参数标定及测控
•   4.1 样品盒设计
•   4.2 测量线路
•   4.3 样品性能
•     4.3.1 拉比振荡
• 1'>    4.3.2 能量弛豫时间T₁
•   4.4 绝热捷径演化方案
•   4.5 本章小结
• 第五章 并联电容磁通量子比特
•   5.1 并联电容磁通量子比特特性
•     5.1.1 并联电容磁通电子比特性能测试
•     5.1.2 fluxonium量子比特
•   5.2 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 简历与科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨真

导师: 于扬

关键词: 量子信息,超导量子比特,制备工艺,绝热捷径

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 南京大学

分类号: O413

总页数: 75

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