超导Nb结器件中的宏观量子现象及其在量子计算中的应用

• 作 者: 曹文会
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2010年期

超导量子计算是固态量子计算的重要方面,最近几年受到了人们的广泛重视。本论文对超导Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结和以其为核心的rf-SOUID磁通单量子比特、耦合双量子比特的制备及其中的宏观量子现象开展了系统的研究。研究工作取得的主要成果如下:　　
(1)成功制备了小到亚微米尺度、漏电流小、临界电流密度在100-2000A/cm2范围可控的Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结,结的性能稳定、重复性好。在此基础上,制备出了单结位相量子比特、rf-SOUID单量子比特、和耦合双量子比特。　　
(2)在稀释制冷机上,测量了25-800 mk温度区间内Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结中的跳变电流分布。通过对不同温度下的跳变电流分布宽度和平均跳变电流的分析,和相应热激发与量子隧穿理论温度区间上的拟合,准确确定了样品的参数和宏观量子隧穿发生的温度区间,并首次在此区间用Larkin-Ovchinnikov分立能级模型描述了宏观量子隧穿过程。这些结果对单结位相量子比特的研究具有重要意义。　　
(3)系统研究了rf-SQUID磁通单量子比特和位相单量子比特的特性,并计算了它们的能级分布和劈裂。分析表明,我们基于Nb/Al-AlOx/Nb结的rf-SQUID单量子比特在磁通和位相模式下工作均具有理想的参数范围。同时,我们也给出了三结磁通量子比特的能级分布。　　
(4)我们首次成功设计、制备了梯度计型rf-SQUID耦合双量子比特,并在3He制冷机上测量了样品上各个部分对外磁通的相应特性,从而通过实验数据确定了器件间的互感等重要参数。测量和分析结果表明,采用梯度计型rf-SQUID耦合双量子比特可以实现从铁磁到零到反铁磁的耦合的连续变化,这为以后耦合双量子比特的研究和应用打下了坚实的基础。