基于超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算研究.pdf

1、量子信息學(xué)是量子力學(xué)與信息科學(xué)結(jié)合而產(chǎn)生的一門(mén)新興學(xué)科,其主要包括量子通信和量子計(jì)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(wú)法比擬的優(yōu)異特性:超快計(jì)算、超大容量存儲(chǔ)和絕對(duì)安全通信等。進(jìn)行量子信息處理首先要找尋一個(gè)能存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)等。
　　超導(dǎo)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(cè)量的特

2、點(diǎn);同時(shí)能使用現(xiàn)有成熟的超大規(guī)模集成電路技術(shù)進(jìn)行制造;再者超導(dǎo)量子比特在設(shè)計(jì)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(jié)合起來(lái),形成新的性能更優(yōu)異的量子比特。這些優(yōu)點(diǎn)使其在量子信息處理的量子硬件中脫穎而出。
　　構(gòu)建有效耦合的量子比特網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理基礎(chǔ)。在量子比特網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)現(xiàn)單比特旋轉(zhuǎn)和兩比特條件門(mén)是構(gòu)建普適邏輯門(mén)的基礎(chǔ),這樣才能進(jìn)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(kāi)

3、糾纏態(tài),因而糾纏態(tài)的制備是量子信息處理的基礎(chǔ)工作之一。量子算法是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的基礎(chǔ),量子算法能顯示量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力。多種量子算法物理方案的設(shè)計(jì),有助于量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)。因此本博士論文致力于研究超導(dǎo)量子比特系統(tǒng),構(gòu)建超導(dǎo)量子比特網(wǎng)絡(luò)、制備糾纏態(tài)以及實(shí)現(xiàn)量子算法。論文的主要研究工作為:
　　一、設(shè)計(jì)了一個(gè)超導(dǎo)電荷比特網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)任意兩比特之間的相互作用,即能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程相互作用,且能實(shí)現(xiàn)普適邏輯門(mén),因此我們的結(jié)構(gòu)在原

4、則上能實(shí)現(xiàn)所有量子信息處理方案。此結(jié)構(gòu)具有可擴(kuò)展和操作簡(jiǎn)單高效的優(yōu)點(diǎn),能用目前的超大規(guī)模集成電路技術(shù)制作。同時(shí)我們還分析了制作技術(shù)不盡完善帶來(lái)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(dǎo)電荷比特網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和約瑟夫森結(jié)耦合的超導(dǎo)電荷比特網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這兩種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)任意兩比特之間的控制操作,所以可以實(shí)現(xiàn)任意的圖態(tài),以滿(mǎn)足量子信息處理的需要。本方案中電路參數(shù)控制簡(jiǎn)單便捷,具有實(shí)驗(yàn)可行性。因此它是基于超導(dǎo)電荷比特的一

5、個(gè)簡(jiǎn)單的、可擴(kuò)展的和容易實(shí)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(dǎo)電荷比特網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和約瑟夫森結(jié)耦合的超導(dǎo)電荷比特網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這兩種電路結(jié)構(gòu)具有可控性和可擴(kuò)展性,本方案的成功概率和保真度均為1,如果由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不精湛而帶來(lái)的殘存耦合會(huì)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(gè)簇態(tài)制備的物理方案是一個(gè)可擴(kuò)展和可行的方案。
　　四、提出了實(shí)現(xiàn)Grover算法的物理方案。該

6、方案是基于電感耦合的超導(dǎo)電荷比特網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和約瑟夫森結(jié)耦合的超導(dǎo)電荷比特網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),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(guò)一個(gè)公用的元件能使任意兩比特有效地耦合,電路結(jié)構(gòu)制作簡(jiǎn)單,在實(shí)驗(yàn)上具有可行性,所以這個(gè)方案是簡(jiǎn)單高效和易控制的Grover算法優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方案。
　　五、提出了實(shí)現(xiàn)Deutsch-Jozsa算法的物理方案。該方案是基于電感耦合的超導(dǎo)電荷比特網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和約瑟夫森結(jié)耦合的超導(dǎo)電荷比特網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),本方案量子邏輯門(mén)操