（微电子学与固体电子学专业论文）基于超导系统的量子计算和量子相变的研究.pdf

基于超导系统的量子计算和量子相变的研究 量装置，这样随着比特数目的增加，就会导致整个系统的相干时间会减小的更 快。另外，在处理信息过程中，必要的操作和测量都会引起线路的变化而导致 退相干。要克服这个因素来实现大规模的量子计算，首先必须抑制退相干的影 响，一种可能而又直接的办法就是减少控制线路和测量装置的数目。在本论文 的第三章中，我们提出一个特别的方案来实现量子逻辑门操作，并且可以制备 多个甚至于十个比特的纠缠态，这个方案的优势就是利用最少的单个控制线路 和测量装置来大大减小系统的退相干。我们研究是基于两能级体系，它们广泛 存在于约瑟夫森结之中，而且它们的参数可以通过对相位比特的谱扫描技术来 测量出来。这些两能级体系的寿命要远远大于相位比特的寿命，因而它们可以 来用作为量子比特，能够满足信息处理过程中的必要条件，例如量子态的初始 化、普适的逻辑门操作和信息的读取等。 基于最新的实验进展，我们从理论上研究超导相位比特和其中的两能级体 系之间的相互作用可以用x y 模型来描述，这种相互作用本质上就构成了i - s w a p 门。我们可以用这个逻辑门在这些两能级体系上来有效地制备各种多比特的纠 缠态，例如多比特的w 态和c l u s t e r 态。而且，这些纠缠态可以通过控制相位 比特与其中的两能级体系相互作用来进行测量。所以，这样的相位比特与两能 级体系组成的耦合系统为实现量子信息处理提供了一个天然的工具，而且还结 合了微观系统和宏观系统的各自优势。本研究方案对消相干的影响有着很好的 抑制作用，为实现多量子比特的纠缠态的可能性提供了理论依据，对实验的实 现有一定的意义。 ( 2 ) 基于超导系统研究自旋玻色模型的k o s t e r l i t z t h o u l e s s 相交。 自旋玻色模型是研究消相干效应的典型模型，它描述的是一个两能级系统 与一组简谐振子线性地耦合作用。自旋玻色模型在很多领域有着广泛的应用。 由于这个系统不能够解析求解，有很多的研究用数字重整化群的方法来进行数 值的近似求解，研究其中的物理性质，例如，在不同的谱函数中的量子相变问 题。 在本论文的第四章中，我们主要研究了系统的谱函数是欧姆情况，其中物 理参数的变化会引起哪些量子物理效应。在这种情况，自旋玻色模型可以映射 到k o n d o 模型，存在着k t 相变，当耗散小的时候系统处在非局域相，而耗散较 基于超导系统的量子计算和量子相变的研究 幽f iii iillli ii irlrflri j i r j ii ilr l l fjiif 17 6 8 4 4 7 大时系统处在局域相。我们主要研究的目标就是在超导系统中提出一个可行性 方案来观测k t 相变，这里显著的优点是：( a ) 可控制的参数多，如偏置电流和 外加驱动场；( b ) 高保真度的量子态测量；( c ) 超导元件之间容易耦合，等等。 在线路q e d 系统中很多类似微观系统的量子特性，我们利用超导相位比特耦合 一个半无限的传输线来模拟成一个自旋玻色模型，半无限的传输线看作是玻色 库环境，而且库的谱线是连续。在这个研究中，玻色库的谱函数是欧姆性的， 因为在我们周围的世界中大多数系统都是这种情况。通过调节驱动场和耦合电 容，自旋的量子态可以从非局域相到跃迁到局域相，这种现象可以通过直接测 量相位比特的量子态来观测到。然后我们根据具体的实验参数用数字重整化群 来研究系统的随参数的变化情况。我们的研究也许对实验观测相变现象也许会 有一定的帮助。 ( 3 ) 在线路q e d 中实现量子控制相位门来完成量子傅里叶变换。 超导线路在实验方面取得了突破性的进展，被看作是最具潜力实现量子计 算机的物理体系之一，这是由于这个体系具有较长的相干时间，低出错率的单 比特逻辑门和两比特逻辑门，以及高保真度的量子态测量。利用一个传输线来 耦合、控制和测量多个超导比特的系统是一种高效的方法，它把这些器件的结 合在一起构成一个容易控制的量子系统， 况下，通过控制传输线和各个量子比特， 特的任意逻辑门。 称为线路量子电动力学。在大失谐情 可以实现单个比特的操作和两量子比 在第五章中，结合现有实验水平，我们在这个系统中提出了一个实验可行 的方案来实现两比特的控制相位门，并且用它来实现量子傅里叶变换。我们的 方案采取的方法是通过调节一系列的外界驱动场和传输线来选择性地控制电荷 比特，可以实现单比特的逻辑门，以及具有非常规几何性质的两比特条件相位 门，这些逻辑操作都是量子傅里叶变换的必备条件。所以这种方法在实验上大 大地抑制了退相干和操作出错的影响。 关键词：量子计算；超导量子比特；两能级体系；自旋玻色模型；k t 相变： 量子傅里叶变换 i l l 基于超导系统的量子计算和量子相变的研究 s t u d yo fq u a n t u mc o m p u t a tio na n dq u a n t u mp h a s et r a n s itio n a b s t r a c t b a s e do ns u p e r c o n d u c tln gs y s t e m m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i de l e c t r o n i c s n a m e ：y ul o n g - b a o s u p e r v i s o r ：p r o f z h us h i - l i a n g q u a n t u mi n f o r m a t i o ni sb a s e do nt h eq u a n t u mm e c h a n i c s , a n d i st h ec r o s s o v e r o fd i f f e r e n ts u b j e c t si n c l u d i n gm a t h e m a t i c s ，i n f o r m a t i c s ，c o m p u t e rs c i e n c ea n ds oo n a tt h ev e r yb e g i n n i n go fq u a n t u mi n f o r m a t i o n , i ta t t r a c t e dal o to fa t t e n t i o n s c i e n t i s t sd e d i c a t e dt o om u c he f f o r t sa n dw i s d o m ，a n dm a n yg o v e r n m e n t sp a i dal o t o fm o n e yt os u p p o r tt h ei n v e s t i g a t i o n i nt h ep a s t3 0y e a r s ，w eh a v eo b t a i n e dm a n y r e m a r k a b l ea c c o m p l i s h m e n ta n db r e a k t h r o u g hi nt h e o r ya n de x p e r i m e n t s o m e r e l a t i o n a lt e c h n o l o g i e sh a v eb e e na p p l i e dt oo u rl i f e h o w e v e r , i ti st o ol o n gt or e a c h t h ea c h i e v e m e n to fq u a n t u mc o m p u t e rb a s e do nt h ep r e s e n tl e v e lo ft e c h n o l o g y , d u e t ot h et e c h n i c a lp r o b l e mi ne x p e r i m e n t , w h i c hi st h a tt h ee n v i r o n m e n tn o i s ed e s t r o y s t h eq u a n t u mc o h e r e n c eo fs y s t e m p h y s i c i s t st r yt oc o n q u e rt h ep r o b l e mt h r o u g h v a r i o u sm e t h o d s ，s u c ha sq u a n t u me r r o r - c o r r e c t i o nc o d ea n di m p r o v e m e n to n e x p e r i m e n t a lt e c h n o l o g y t h ec o h e r e n tt i m e si nv a r i o u ss y s t e m sh a v eb e e ni n c r e a s e d l a r g e l y s o m ei n t e r n a t i o n a ll e a d i n gg r o u p sa r et r y i n gt or e a l i z eq u a n t u mc o m p u t e r o fc o u i s e ，t h er o a do fs c i e n c ei sb u m p y , a n dn e e d sm o r ep e o p l e si n t e l l i g e n c ea n d c o n t r i b u t i o n a sf o rt h er e a l i z a t i o no ft h eh a r d w a r eo fq u a n t u mc o m p u t e r , s o l i ds y s t e mh a s i v 基于超导系统的量子计算和量子相变的研究 o b v i o u sa d v a n t a g e s ，s u c ha sm a n yc o n t r o lp a r a m e t e r s ，i n t e g r a t i o n ，s c a l a b l ea n ds o f o r t h t h e r e f o r e ，o nt h eb a s i so fs u p e r c o n d u c t i n gs y s t e m ，t h et h e s i s ，b yc o m b i n i n g t h et h e o r yk n o w l e d g ew i t he x p e r i m e n t a lp r o g r e s s , m a k e sa na t t e m p tt od i s c o v e rh o w t or e a l i z eq u a n t u mc o m p u t a t i o ne f f e c t i v e l y , a n di n v e s t i g a t et h ep h e n o m e n o nh o wt h e e n v i r o n m e n ti n d u c e sq u a n t u mp h a s et r a n s i t i o n ： ( 1 ) r e a l i z a t i o no fq u a n t u mc o m p u t a t i o na n dp r e p a r a t i o no fe n t a n g l e m e n tu s i n g t l sb a s e do ns u p e r c o n d u c t i n gs y s t e m a m o n gt h es o l i d - s t a t es y s t e m s ，s u p e r c o n d u c t i n gc i r c u i ti so n eo ft h em o s t p r o m i s i n gc a n d i d a t e ss e r v e da sh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fq u a n t u mc o m p u t e r s b u tt h es h o r tc o h e r e n tt i m e sl i m i tb o t ho ft h eq u b i ts t a t e m a n i p u l a t i o na n d i n f o r m a t i o ns t o r a g e t h el o s so fq u a n t u mc o h e r e n c ei nt h em o s to fs o l i ds t a t eq u b i t s i sm a i n l yb e c a u s eo ft h eu n w a n t e dc o u p l i n go ft h eq u b i t sw i t ht h ee n v i r o n m e n t s i n p a r t i c u l a r , t h ec o h e r e n tt i m e sw o u l dd e c a yq u i c k l yw i t ht h ei n c r e a s i n gn u m b e ro f q u b i t sb e c a u s ee a c hq u b i tu s u a l l yn e e d sac o n t r o la n dam e a s u r e m e n tc i r c u i t b e s i d e s f u l l l i n gt h em a n i p u l a t i o n sa n dm e a s u r e m e n t sr e q u i r e df o rt h en e c e s s a r yi n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g ，a l lt h e s ec i r c u i t sc a na l s od i s t u r bt h eq u b i t sa n dl e a dt od e c o h e r e n c e t h u s ，i no r d e rt os u p p r e s st h ed e , c o h e r e n c ef r o mt h ee n v i r o n m e n t s ，ap o s s i b l ew a yi s t or e d u c et h en u m b e ro fc o n t r o la n dm e a s u r e m e n tl i n e s i np a r t3o ft h et h e s i s ，w e p r o p o s ead i s t i n c ts c h e m et or e a l i z eq u a n t u mc o m p u t a t i o n , a n dp r e p a r eg e n u i n e m u l t i p a r t i t ee n t a n g l e ds t a t e sf o rs e v e r a lt ot e nq u b i t s ，w h i l et h ed e c o h e r e n c ef r o mt h e c o n t r o la n dm e a s u r e m e n tl i n e sm a yb em i n i m i z e db y u s i n gs i n g l ec o n t r o la n d m e a s u r e m e n ts e t u p t h es y s t e mi ss e v e r a lt ot e no ft w o l e v e l s y s t e m s ( t e s s ) l o c a t i n gi n s i d eas u p e r c o n d u c t i n gp h a s eq u b i t ，e g ，ac u r r e n t - b i a s e dj o s e p h s o n j u n c t i o n ( c b j j ) r e c e n te x p e r i m e n t sh a v es h o w nt h a ts o m et l s sl o c a t ei n s i d et h e j o s e p h s o nt u n n e lb a r r i e r , a n dt h ep a r a m e t e r sf o rs u c ht l s sc a nb ed e t e c t e dt h r o u g h s p e c t r o s c o p i cm e a s u r e m e n t s t h el i f e t i m eo ft h et l si sm u c hl o n g e rt h a nt h e d e c o h e r e n c et i m eo ft h ep h a s eq u b i t ，s ot l sc a nb eu s e da sl o g i cq u b i tf o rq u a n t u m c o m p u t a t i o n ，a n dt y p i c a lo p e r a t i o n sr e q u i r e df o rt h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，f o r e x a m p l e ，t h es t a t ei n i t i a li z a t i o n ，u n i v e r s a ll o g i c a lg a t eo p e r a t i o n sa n dr e a d o u t h a v e b e e ne x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d v 基于超导系统的量子计算和量子相变的研究 m o t i v a t e d b y t h e p r o g r e s s , w es h o wt h a tt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e s u p e r c o n d u c t i n gp h a s eq u b i ta n d t h et l s sm a yb ed e s c r i b e db yt h ex ym o d e l ，w h i c h i sn a t u r a l l yu s e dt oi m p l e m e n ti - s w a pg a t e w i t i lt h i sg a t e ，w ec a l le f f e c t i v e l y g e n e r a t ev a r i o u sg e n u i n em u l t i - q u b i te n t a n g l e ds t a t e sf o rt l s s ，i n c l u d i n gt h ew s t a t e a n dm u l t i p a r t i t ec l u s t e rs t a t e s m o r e o v e r , t h es t a t e so ft l s sc a nb em a n i p u l a t e db y c o n t r o l l i n gt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e ma n dc b j j s u c hc b j j - t l sc o u p l i n gs y s t e m o f f e r san a t u r a lc a n d i d a t et or e a l i z eq u a n t u mi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt h r o u g h c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so fm i c r o s c o p i ca n dm a c r o s c o p i cs c a l es y s t e m s t h es t u d y c a nl a r g e l ys u p r e s st h ee f f e c to fd e c o h e r e n c e ，a n dp r o v i d ea na c a d e m i cf o u n d a t i o n i t m a y b es i g n i f i c a n tf o re x p e r i m e n t ( 2 ) o b s e r v a t i o no fq u a n t u mk o s t e r l i t z - t h o u l e s st r a n s i t i o ni ns u p e r c o n d u c t i n g s y s t e m s p i n - b o s o nm o d e l ，at w o - l e v e ls y s t e ml i n e a r l yc o u p l e dt oac o l l e c t i v eo f h a r m o n i c o s c i l l a t o r s ，i sat y p i c a lm o d e lt os t u d yd e c o h e r e n c ee f f e c t t h es p i n - b o s o nm o d e lh a s f o u n da p p l i c a t i o n si naw i d ev a r i e t yo fp h y s i c a ls i t u a t i o n s o w i n gt oi n s o l u b i l i t y e x a c t l y ，i ti sp r i m a r i l yi n v e s t i g a t e db yn u m e r i c a lr e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ( n r g ) t o s t u d yt h ep r o p e r i t y ，e g ，d i f f e r e n ts p e c t r a lf u n c t i o n so ft h eb a t hm a yi n d u c ev a r i o u s k i n d so fq u a n t u mp h a s et r a n s i t i o n s ( q it ) i np a r t4 ，w ea t t a c ht o om u c hi m p o r t a n c et ot h eo h m i cc a s e , w h i c hd i s p l a y st h e r i c h e s tv a r i e t yo fb e h a v i o ra saf u n c t i o no ft h ep a r a m e t e r s i nt h ec a s e ，t h es p i n - b o s o n m o d e lc a l lb em a p p e da st h ek o n d om o d e l ，a n daq u a n t u mk tt r a n s i t i o ns e p a r a t e st h e d e l o c a l i z e dp h a s ea ts m a l ld i s s i p a t i o na n dt h el o c a l i z e dp h a s ea tl a r g ed i s s i p a t i o n t h e d e l o c a l i z e d r e g i o nc o r r e s p o n d st ot h ea n t i f e r r o m a g n e t i ck o n d om o d e lw i t ha f e r m i - l i q u i dg r o u n ds t a t ew h i l et h el o c a l i z e dr e g i o nc o r r e s p o n d st ot h ef e r r o m a g n e t i c k o n d om o d e lw h e r et h es p i ni sf r o z e ni nt i m e i nt h i sw o r k , w ep r o p o s eaf e a s i b l e s c h e m et oo b s e r v ek tt r a n s i t i o ni ns u p e r c o n d u c t i n gs y s t e m t h ed i s t i n c ta d v a n t a g e s i n c l u d e ：( a ) m a n yt u n a b l ec o n t r o lp a r a m e t e r ss u c ha sb i a sc u r r e n t sa n dd r i v i n g m i c r o w a v e s ；( b ) h i g hf i d e l i t ym e a s u r e m e n t ；( c ) e a s i l ys c a l a b l e , a n ds oo n o u ri d e ai s i n s p i r e db yp r e v i o u ss t u d yt oe x p l o r et h en a t u r eo fm i c r o s c o p i cs y s t e m si nc i r c u i t q e d w ed e s i g nas p i n b o s o nm o d e lu s i n gas u p e r c o n d u c t i n gp h a s eq u b i tc o u p l e d 基于超导系统的量子计算和量子相变的研究 w i t has e m i i n f i n i t et r a n s m i s s i o nl i n e ，w h i c hi sr e g a r d e da st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e q u b i t se n v i r o n m e n t i nt h ec a s eo f g a p l e s ss p e c t r a i nt h i ss e t u p ，t h es p e c t r a lf u n c t i o n o ft h eb o s o n i cb a t hi st r e a t e da so h m i c b yt u n i n gt h ed r i v i n gm i c r o w a v eo rt h e c o u p l i n gc a p a c i t a n c e ，t h es t a t eo ft h eq u b i tm a yt r a n s i tf r o md e l o c a l i z e dp h a s et o l o c a l i z e ds t a t e ，w h i c hc a nb ed i r e c t l yo b s e r v e db ym e a s u r i n gt h ep h a s eq u b i t w ea l s o e s t i m a t et h ee x p e r i m e n tp a r a m e t e r so ft h i st r a n s i t i o nw i t hn r g i tm a yb eh e l p f u lf o r i m p r o v e n m e n to fe x p e r i m e n t ( 3 ) i m p l e m e n t a t i o no fq u a n t u mc o n d i t i o n a lp h a s eg a t ef o rq u a n t u mf o u r i e r t r a n s f o r mi nc i r c u i tq e d r e c e n t l y ，s u p e r c o n d u c t i n gc i r c u i t sh a v em a d ec o n s i d e r a b l ep r o g r e s sa sa p r o m i s i n gc a n d i d a t ef o rp h y s i c a li m p l e m e n t a t i o no fq u a n t u mc o m p u t a t i o n ：l o n g c o h e r e n c et i m e s , s i n g l e - q u b i tg a t e sa n dt w o - q u b i to p e r a t i o n sw i t hl o we r r o r - r a t e s ，a n d h i g h - f i d e l i t yq u b i t m e a s u r e m e n t o n ee f f i c i e n t a p p r o a c hc o m b i n i n g t h e s e a c h i e v e m e n t st oe a s yi n t e g r a t i o ni st h eq u a n t u mb u sa r c h i t e c t u r e ，w h i c hu s e sa t r a n s m i s s i o nl i n e c a v i t y t o c o u p l e ，c o n t r o l a n dm e a s u r et h ee m b e d d e d s u p e r c o n d u c t i n gq u b i t s i nt h es t r o n g - d i s p e r s i v er e g i m eo fc i r c u i tq u a n t u m e l e c t r o d y n a m i c s ( c q e d ) ，b yc o n t r o l l i n gi n d i v i d u a lq u b i ta n dt h et r a n s m i s s i o nl i n e ， s i n g l e - q u b i to p e r a t i o n sa n dt o m o g r a p h yo f t w o - q u b i ts t a t e sc a nb eo b t a i n e d i np a r t5 ，w ep u tf o r w a r daf e a s i b l es c h e m et or e a l i z et w o - q u b i tc o n d i t i o n a lp h a s e g a t ea n dc o m p l e t eq f rb yt h eg a t e si nc i r c u i tq e ds y s t e m o u rs c h e m er e l i e so nt h e p a s s a g eo fas e r i e so fs u i t a b l yc h o s e nc h a r g eq u b i t st h r o u g has e q u e n c eo fe x t e r n a l d r i v i n g f i e l d sa n dt h et r a n s m i s s i o nl i n e w ec a no b t a i n s i n g l e - q u b i tg a t e sa n d t w o q u b i tc o n d i t i o n a lg a t ew i t ht h eu n c o n v e n t i o n a lg e o m e t r i cf e a t u r e s s oo u rm e t h o d c a nh e a v i l ys u p p r e s st h ed e c o h e r e n c ea n de r r o rr a t e si ne x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：q u a n t u m c o m p u t a t i o n ；s u p e r c o n d u c t i n gq u b i t ；t w o l e v e ls y s t e m ； s p i n - b o s o nm o d e l ；k tp h a s et r a n s i t i o n ；q u a n t u mf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n v 基于超导系统的量子计算和量子相变的研究 目录 摘要i a b s t r a c t iv 目录v i il 第1 章绪论1 第2 章量子信息简介及其最新进展3 2 1 量子信息简介3 2 2 实现量子计算机的基本要求6 2 3 超导量子比特及其实验进展10 2 3 1 电荷比特1 3 2 3 2 磁通比特1 5 2 3 3 相位比特16 2 3 4 线路q e d 1 7 2 3 5 实验的最新进展1 8 参考文献18 第3 章超导比特中两能级系统的量子计算的实现2 1 3 1 研究背景、研究内容以及物理意义2 1 3 2 超导相位比特中的两能级体系2 3 3 2 1 电流偏置的约瑟夫森结2 3 3 2 2 相位比特与两能级体系的复合系统2 6 3 3t l s 的逻辑操作2 9 v t l i 基于超导系统的量子计算和量子相变的研究 3 3 1t l s 的初始化和单比特旋转3 0 3 3 2t l s 之间的两比特逻辑门3 1 3 3 3 不同约瑟夫森结中t l s 的扩展性3 2 3 4 在t l s 比特上制备w 态和c l u s t e r 态3 3 3 5 多比特纠缠态的探测3 6 3 6 讨论和结论3 8 参考文献4 0 第4 章超导系统中观测量子k o s t e r l i t z - t h o u l e s s 相变4 5 4 1 研究背景4 5 4 2 构建自旋玻色模型4 6 4 3 数字重整化群方法对自旋玻色模型的解析推导5 0 4 4k t 相变和实验参数的分析5 7 4 5 结论5 9 参考文献5 9 第5 章在线路q e d 中构建量子控制相位门来实现量子傅里 叶变换6 2 5 1 研究背景6 2 5 2 量子傅里叶变换6 3 5 3 物理系统和逻辑门的实现6 5 5 4 量子傅里叶变换的物理实现和实验分析6 9 5 5 结论7 1 参考文献7 1 i x 基于超导系统的量子计算和量子相变的研究 第6 章总结和展望7 4 参考文献7 8 致谢7 9 攻读博士学位期间完成的学术论文8 0 x 基于超导系统的量子计算和量子相变的研究 第1 章绪论 二十世纪技术科学最突出的成就是电子计算机及信息科学的产生、发展及其 应用。当今社会，信息科学对人类社会的发展和进步起着不可替代的作用。它给 整个社会带来了日新月异的变化，对人类的未来发展有着深远的意义。我们熟悉 的“数字化”社会、“信息时代”等名词形象地体现了信息科学无与伦比的重要 性。 量子力学是二十世纪兴起的一个物理学分支，它使人类对自然界的认识发生 了里程碑式的突破。量子力学是微观粒子运动规律的概括和总结，与经典物理相 比，它阐述和解释了大量奇妙的物理现象，例如波粒二象性、黑体辐射、纠缠态 等等。这些物理现象都是经典物理所不能解释的，而且是违背人们的常规认识。 根据量子力学的根本原理，科学家们实现了很多令人难以想象的科技奇迹，包括 核能、激光技术、半导体材料等等。 量子信息学是量子力学与信息科学的结合，它的核心思想是利用量子系统来 实现信息的制备、存储、传输和控制等任务。量子信息的研究就是充分利用量 子物理基本原理的研究成果，发挥量子相干特性的强大功能，探索以全新的 方式进行计算、编码和信息传输的可能性，为突破芯片极限提供了新概念、 新思路和新途径。由于量子系统具有不同于经典系统的独特性质，例如量子并 行性、纠缠态等等。因此，相对于经典信息，量子信息具有一些非常奇特的物理 性质，从而可能赋予人们更强大、更安全、更便捷的运算能力和信息处理技术。 近三十年来，量子信息学及其相关领域一直处在快速发展之中，是计算机学家和 物理学家共同关注的一个重要领域，在理论和实验上都取得了令人瞩目的进展和 成就，同时对一些交叉学科也起着巨大的推动作用，如在对微观粒子的操控技术 和低温冷却技术等等。然而，实现量子计算机还是非常困难的，将要面临着巨大 的挑战，还需要更多科学家们的继续努力和奋斗。 另外，从物理发展角度来看，量子信息的发展对研究多体问题与相变理论也 有着一定的促进。量子信息和理论凝聚态物理的交叉领域成为一个蓬勃发展的新 领域，很多物理学家普遍关注的一个问题是量子多体的相变问题。一方面，量子 计算的方案在固体物理系统的实现面临着多量子比特的集成和量子退相干等量 基于超导系统的量子计算和量子相变的研究 子多体问题。另一方面，近年来人们也在研究利用量子信息中提出的一些新的概 念和方法，来研究量子多体系统的一些性质，比如利用量子信息中量子纠缠的各 种不同的度量，比如保真度，纠缠熵等，来描述系统的相变性质。 量子计算机的研究另外一个非常重要的目标就是用来模拟量子系统，最早有 费曼提出的量子模拟概念，并且论证了经典的计算机无法模拟出量子体系的性 质。事实证明，当前现有的功能最强大计算机也只能模拟出十几个量子比特所组 成的系统，如果想要对更大系统的模拟，对于经典计算机是无法完成的任务。所 以实现量子计算机是一项艰巨而又宏伟的目标，具有深远的意义。 2 基于超导系统的量子计算和量子相变的研究 第2 章量子信息简介及其最新进展 量子信息学是量子力学与多个学科相交叉的一门新学科，可以分为量子计 算、量子通讯和量子编码等分支，它的核心思想是利用量子力学的基本原理来实 现信息的制备、存储、传输和读取等任务，目标是实现功能更强大的量子计算机 和安全保密的量子网络。由于量子系统具有一些独特的物理性质，如量子并行性、 纠缠态等等。因此，量子信息学也体现出一些得天独厚的优越性，从而可能赋予 人们更强大、更安全、更便捷的计算能力和信息处理技术。最近三十年来，量子 信息学一直是一门前沿热门研究领域，很多计算机学家和物理学家共同感兴趣的 一个重要领域，很多国家也是投入了巨大资金来扶持，量子信息发展到了今天， 在理论和实验上都取得了令人瞩目的进展和突破，同时也面临着巨大的困难和挑 战，要实现真正的工业化和民用化，还需要更多科学家们的继续努力和无限的奉 献。 在本章的第2 1 节中，我们先简单介绍量子信息领域的发展历程和研究意 义，以及最新的研究进展；第2 2 节中，我们阐述实现量子计算机的一些基本要 求，以及当前遇到的困难和解决的方案；在第2 3 节中，主要介绍量子计算机在 超导系统中的研究，以及理论和实验的突破和最新进展。 2 1 量子信息简介 最近五十年来，计算机发展得更加快速、更加小型化，功能更加强大， 给人类社会带来了日新月异的变化和巨大的财富，根据摩尔定律( m o o r e s l a w ) ，每十八个月计算机微处理器的速度就增长一倍，其中单位面积( 或体 积) 上集成的元件数目会相应地增加。可以预见