摘要
量子计算机在解决如分解大数质因子等问题方面拥有经典计算机无法比拟的优越性。基于约瑟夫森结的超导量子比特近年来在器件相干性能和操控精度上都有了相当幅度的提升，已成为实现量子计算机的主要候选物理载体之一。本论文首先介绍了量子计算的基本概念，包括量子比特的基本原理和量子逻辑门，其次介绍了基于约瑟夫森结的超导量子比特的物理实现。 在超导量子比特的研究中，实现对量子比特态函数的快速精确的读取至关重要。在回顾各种读取方式的基础上，本论文重点介绍了基于超导谐振腔的色散读取方式。在我们的Xmon量子比特样品电路中，每个量子比特都通过各自的读取谐振腔与一条公共信号传输线相耦合。当量子比特处在不同的状态时，读取谐振腔的共振频率会有微小移动，从而导致公共信号传输线上微波的透射系数S21在IQ复平面内发生微小变化，基于此我们可以读取量子比特的状态信息。由于需要读取的微波信号的变化仅相当于一个能量子的大小，极其微弱，我们需要在读取线路上使用放大器并尽量减小额外引入的噪音。我们与合作者研制并标定了具有自主知识产权的两种不同带宽的约瑟夫森结参数放大器，以达到单发(single-shot)测量即能确定性的区分量子态的精度要求。我们测得约瑟夫森结参数放大器的工作频率范围在5-7GHz，增益可以达到20 dB，最大带宽可以达到800 MHz，饱和功率约在-113 dBm，同时引入的噪音温度低至量子极限。利用约瑟夫森结参数放大器，实验信号的信噪比得到了显著提高，量子态的区分度在亚微秒的读取时间内达到90％以上。这些参数放大器将为实验室后续基于多比特的量子相干操纵实验提供有力的支持。
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