量子计算超导国家重点室课件

1、量子计算超导国家重点室课件量子计算超导国家重点室课件提 要量子比特和量子计算基于超导量子器件的量子比特目前发展状况和前景提 要量子比特和量子计算最小CMOS尺寸只有30nm，栅氧厚度3个原子层。Moore定律的挑战迫切呼唤新的信息技术最小CMOS尺寸只有30nm，栅氧厚度3个原子层。Moore量子调控技术深入到单量子态层次量子调控技术深入到单量子态层次量子信息正是挑战和发展的交汇。在基础理论上，研究量子理论在各方面的拓展和应用。实现量子通讯、模拟、计算，具有巨大潜在应用前景。量子比特(Qubit)数目研究进度1101001000量子通讯量子模拟量子计算量子信息正是挑战和发展的交汇。量子比特(Q

2、ubit)数目研究经典和量子比特（抽象）一个两态系统，两个状态分别标记为0和1。数字信息处理，比特在某一时刻状态可能是0或者1量子比特在某一时刻状态有些类似于模拟信息处理经典和量子比特（抽象）一个两态系统，两个状态分别标记为0和1经典和量子逻辑门（抽象）经典逻辑门：单比特门： 非两比特门： 和，与，和非，与非， 异或和非门是通用门（Universal），可以构成任意门量子逻辑门：单比特门： 2乘2酉矩阵，有无穷多种常用： X，Y，Z，H两比特门： 4乘4酉矩阵，有无穷多种。常用： CNOTAB00 0001 0110 1111 10单比特门和CNOT是通用门（Universal），可以构成任意

3、门经典和量子逻辑门（抽象）经典逻辑门：单比特门： 非量子逻量子线路（抽象）00H初始化，经过一系列逻辑门（调控），到末态（Bell态）单比特门，两比特门，需要时耦合，不需要时自由演化量子线路（抽象）00H初始化，经过一系列逻辑门（调控），到末量子计算利用了量子态的叠加性。经典 量子一比特二比特三比特是内在的并行计算。在算法上远远优于经典计算机。量子计算利用了量子态的叠加性。经典 一比特二比特三比特是内量子纠错 量子比特有些类似于模拟信息处理，受外界干扰会退相干，出错率很高，因此必须定期进行纠错，才能保证最后结果正确。 量子纠错理论指出，为了能实现可以纠错的量子计算，量子系统相干时间至少必须大于

4、逻辑门时间的一万倍。退相干分为能量驰豫和位相驰豫。T1T2量子纠错 量子比特有些类似于模拟信息处理，受外界干扰会量子比特的操控（二能级系统）01量子比特的操控（二能级系统）01拉比（Rabi）振荡01拉比（Rabi）振荡01量子比特的基本条件0) 具有很好定义的量子比特 能对量子比特进行初始化 (输入) 能进行单量子门和双量子门操作 (计算) 能对量子比特进行测量 (输出)4) 足够长的相干时间，大于104量子门操作时间 5) 可以规模化这些要求互相矛盾。因此选择物理体系来制作量子计算机要兼顾各种要求。量子比特的基本条件0) 具有很好定义的量子比特4) 足够长量子比特的物理实现量子比特的物理实

5、现各种量子比特比较量子点超导量子比特 10nm1nm 1m1尺寸增加，耦合容易退相干时间增加介观量子比特 光子 核自旋离子、原子 各种量子比特比较 10nm1nm 1m1尺寸增加，耦超导量子比特是固态人工原子超导量子比特是固态人工原子超导约瑟夫森隧道结超导体超导体超导约瑟夫森隧道结超导体超导体超导电路量子化超导电路量子化运动方程运动方程运动方程运动方程超导相位量子比特普通接线要达到01三层法加工尺寸 1010m超导相位量子比特普通接线要达到01三层法超导磁通量子比特01Ux = 0/2容易受磁场起伏影响，导致退相干。可以工作在位相模式三层法、斜蒸法加工尺寸 5到0.5m超导磁通量子比特01Ux

6、 = 0/2容易受磁场起伏影响超导电荷量子比特材料Al，斜蒸法加工尺寸 5005015nm超导电荷量子比特材料Al，斜蒸法超导量子比特加工SiNbAlNb5mDC SQUIDPC qubit超导量子比特加工SiNbAlNb5mDC SQUIDPC 早期主要是研究量子相干电荷比特的量子相干振荡：1)样品尺寸足够小: 15 nm2)新的快速调控和测量方法。30-40 psNature 1999, 早期主要是研究量子相干电荷比特的量子相干振荡：Nature 电荷相位型单量子比特电荷磁通比特量子相干振荡：1)改进了超导量子比特的设计,使它对电荷和磁场的起伏都不敏感。2)g达到20000。Science

7、 2002, 电荷相位型单量子比特电荷磁通比特量子相干振荡：Scienc相位型单量子比特位相比特量子相干振荡：1)设计的改进：采用大的约瑟夫森结，电荷和磁场的起伏都不敏感，足够的LC隔离。2)新的时序测量方法。Science 2002, 100 m相位型单量子比特位相比特量子相干振荡：Science 200磁通型单量子比特磁通比特量子相干振荡：1)量子比特设计加工得更小,测量耦合加强。Science 2003, 磁通型单量子比特磁通比特量子相干振荡：Science 200当代重要突破-单量子比特的量子相干振荡量子相干振荡：1)定义量子比特,2)初始化单量子比特,3)单量子比特操控,4)量子比特

8、的测量.Nature 1999Science 2002Science 2002Science 2003当代重要突破-单量子比特的量子相干振荡量子相干振荡：Natu双电荷量子比特条件操控Nature 2003, 双电荷量子比特条件操控Nature 2003, 双相位量子比特纠缠Science 2006, 双相位量子比特纠缠Science 2006, 当代重要突破-双量子比特条件操控设计和测量改进，实现耦合量子比特：双量子门,规模化.Nature 2003Nature 2007Science 2006当代重要突破-双量子比特条件操控设计和测量改进，实现耦合量子三量子比特的相干调控Nature Co

9、mm. 2010, Nature 2010, 三量子比特的相干调控Nature Comm. 2010, N量子比特和光子耦合Nature 2004, 量子比特和光子耦合Nature 2004, 多量子比特和光子耦合Nature 2007, 多量子比特和光子耦合Nature 2007, 光子储存信息Nature 2007, 光子储存信息Nature 2007, 当代重要突破-量子比特和光子强耦合量子比特和光子的耦合:1)飞行量子比特,2)信息的储存,3)集成化.Nature 2004Nature 2007Nature 2007当代重要突破-量子比特和光子强耦合量子比特和光子的耦合:Na可调控耦合的探索可调控耦合的探索退相干时间提高三维谐振腔, 没有控制线。T1 = 60 微秒, T2 = 14 微秒退相干时间提高三维谐振腔, 没有控制线。规模化途