量子计算-超导国家重点室
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量子比特的操控(二能级系统)
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 1) 能对量子比特进行初始化 (输入) 2) 能进行单量子门和双量子门操作 (计算) 3) 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。
量子线路(抽象)
1 (0 1)
0
H2
0
00
1 (0 1) 0 2
1 (0 0 1 1) 2
1 ( 00 11 ) 2
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
量子计算
利用了量子态的叠加性。
一比特
二比特
三比特
经典 量子
Is Ic sin
d 2eV
dt
2 1 2e
2
Adl
1
EJ
t
V
0
Idt
t 0
Ic
sin
2e
d
dt
dt
0
Ic
sin
0
2
d
0Ic
2
(1
cos )
EJ
(1
cos )
EC
e2 2C
超导电路量子化
I
C
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。
研
究 量子通讯
进 度
量子模拟
量子计算
1
10
Biblioteka Baidu100
1000
量子比特(Qubit)数目
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
在算法上远远优于经典计算机。
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。
退相干分为能量驰豫和位相驰豫。
T1
T2
1 1 1
2T1 T2
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 大于逻辑门时间的一万倍。
cos
2
0
(ex )2 2L
U
0
1
H
2
z
2
x
x = 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
超导电荷量子比特
T 1
2
k
CkVk2
U EJ (1 cos)
H
2
z
2
量子比特在某一时刻状态
a1 0 a2 1
有些类似于模拟信息处理
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
X
0 1
1 0
物理所, 2011/9/23, 北京
基于超导量子比特量子计算
于扬
南京大学物理系 固体微结构国家实验室
提要
1. 量子比特和量子计算 2. 基于超导量子器件的量子比特 3. 目前发展状况和前景
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。
量子调控技术深入到单量子态层次
T 1 CV 2
Ic ,
2
U
UJ
I
EJ
1
cos
2
0
I
V 0 , 0
2
2
U
EJ
(1 cos)
I0
2
T
U
1 C2 2
EJ
1 cos
2
0
I
p
01 51010
0.5 ns
Q 25
要达到
10s
Q 500000 R 2M
• 三层法 • 加工尺寸 1010m
超导磁通量子比特
ex LI L(Is V / R CdV / dt)
C
C
d 2 dt 2
U
U
EJ
量子比特的物理实现
各种量子比特比较
光子
1Å 核自旋
1nm
离子、原子
尺
寸
介 观
10nm
量子点
量
增 加 , 耦 合 容 易
退 相 干 时 间 增 加
子
比
特
1μm 超导量子比特
超导量子比特是固态人工原子
1 100 GHZ
LC
超导约瑟夫森隧道结
超导体 超导体
n ei1 (t) s
n ei2 (t ) s
cos
2
0
i
2
0
运动方程
d 0 dt
C U
超导相位量子比特
H
01
2
z
201C I x z
1
普通接线
0
C / Re[Y ( f )] Q / 01
R 100 C 51012
C
0
2
C
[CV , ] i [Q, ] i
[2en, 0 ] i 2
[n, ] i
N 1
运动方程
H p
p2 2C
EJ
1
cos
2
0
I
p2 2C
EJ
1
,
Z
1 0
0 1
,
H
1 1 2 1
1 1
两比特门: 4乘4酉矩阵,有无穷多种。常用: CNOT
1 0 0 0
0 1 0 0 A
0 0 0 1 0 0 1 0 B
00 00 01 01 10 11 11 10
单比特门和CNOT是通用 门(Universal), 可以构成任意门
0 a1 0 a2 1
01 a1 00 a2 01 a3 10 a4 11
001 a1 000 a2 001 a3 010 a4 100 a5 011 a6 101 a7 110 a8 111
是内在的并行计算。 x f (x) x a1 0 a2 1 f (x) a1 f (0) a2 f (1)
x
EC
EJ
• 材料Al,斜蒸法 • 加工尺寸 5005015nm
超导量子比特加工
Nb Al Nb Si
DC SQUID PC qubit
5m
早期主要是研究量子相干
Nature 1999, 电荷比特的量子相干振荡: 1)样品尺寸足够小: 15 nm 2)新的快速调控和测量方法。30-40 ps