微波驱动超导量子比特产生Greenberger-Horne-Zeilenger态
超导电现象与超导体
超导电现象与超导体 超导电性是某些物质在低温下出现的电阻为零和排斥磁感线的现象，这类物质称为超导体． 1911年，荷兰物理学家昂里斯发现，当温度降到4.2K时，水银的电阻突然消失，第一次发现了超导电现象．水银电阻随温度变化的实验曲线如图1所示．从图中可以看到，当温度T＞T1时，水银具有通常的导电性，处于正常态；当T＜T2时，水银的电阻完全消失，进入超导态．T1是从正常态向超导态转变的拐点处的温度，称为起始转变温度．T2是电阻完全消失的温度，称为零电阻温度．以后，人们又相继发现了28种元素在常压下、15种元素在高压下，具有超导性，五千多种合金和化合物也具有超导性，其电阻率随温度的变化也有类似于图1的曲线． 超导体的理想导电性和完全抗磁性是超导体的两个独立而又相互联系的基本性质，常用来作为确定物质是否具有超导性的判据． 理想导电性处于超导态下的超导体的电阻极小，在目前的测量精度内测不出来，说明其电阻率的上限为10-27Ω·m，仅为室温下铜的电阻率（1.67×10-8Ω·m）的千亿亿分之一，完全可以视为零．美国麻省理工学院在磁场中放上用超导材料做成的环，待环冷却至超导态后把磁场撤消，由于电磁感应在环中激起感应电流，经过两年半时间的观测，没有发现环中电流所激发的磁场有明显的衰减，说明电流无明显衰减．因此，可以设想，超导体内部一旦有电流通过，几乎会永远流下去．电流流动时没有能量损失，这样就可以把目前输电线路上损失掉的30%的能量节约下来，减少变电设备上的巨大投资和由于高压输电引起的火灾、触电等事故．如果把发电机的统组线圈换成超导体，就可做成体积小、重量轻、噪音低、功率大的发电机．利用超导体，日本在1987年还研制出了效率很高的容量为72千伏安的世界上最大的交流变压器，效率达98%． 因为超导体没有因线圈过热而被烧坏的担忧，可以通过强电流，（不能超过临界电流密度，即能够维持超导态，在超导体中流过的最大电流密度J c）以产生数十万高斯的磁场．可用它做成体积小、重量轻、稳定性好、均匀度高、易于启动、能长期运转、能量损失极少的超导磁体．例如要造一个能产生10万高斯的强磁场，要用内径为0.9m的螺线管，若采用铜线并用水冷却，所需消耗的功率为6万千瓦，冷却水用量为每秒10吨．若采用液氦温度的超导体，只需消耗10千瓦的功率来制造液氦，仅是利用铜导体的六千分之一；若采用液氮温区的超导体，则更省得多．这些超导磁体可用于高能加速器、受控热核反应等需要强磁场的地方，或储存能量，或利用它所产生的磁场梯度大的特点净化废水等．超导磁体还可用于
量子化学计算方法试验
量子化学计算方法试验 1. 应用量子化学计算方法进行计算的意义 化学是一门基础学科，具有坚实的理论基础，化学已经发展为实验和理论并重的科学。理论化学和实验化学的主要区别在于，实验化学要求把各种具体的化学物质放在一起做试验，看会产生什么新的物质，而理论化学则是通过物理学的规律来预测、计算它可能产生的结果，这种计算和预测主要借助计算机的模拟。也就是说，理论化学可以更深刻地揭示实验结果的本质并阐述规律，还可以对物质的结构和性能预测从而促进科学的发展。特别是近几年来，随着分子电子结构、动力学理论研究的不断深入以及计算机的飞速发展，理论与计算化学已经发展成为化学、生物化学及相关领域中不可缺少的重要方向。目前，已有多种成熟的计算化学程序和商业软件可以方便地用于定量研究分子的各种物理化学性质，是对化学实验的重要的补充，不仅如此，理论计算与模拟还是药物、功能材料研发环境科学的领域的重要实用工具。 理论化学运用非实验的推算来解释或预测化合物的各种现象。理论化学主要包括量子化学，（quantum chemistry）是应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的一门基础科学。研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。量子化学可分基础研究和应用研究两大类，基础研究主要是寻求量子化学中的自身规律，建立量子化学的多体方法和计算方法等，多体方法包括化学键理论、密度矩阵理论和传播子理论，以及多级微扰理论、群论和图论在量子化学中的应用等。理论与计算化学的巨大进展，正使化学学科经历着革命性的变化。今天的理论与计算化学几乎渗透到现代一切科技领域，与材料、生物、能源、信息和环保尤为密切，理论化学的应用范围将越来越广。理论与计算化学逐步发展成为一门实用、高效、富有创造性的基础科学，在化学、生物学等领域的影响越来越显著，且与日剧增。 2. 应用量子化学计算方法进行计算的目的 （1）了解量子化学计算的用途。 （2）了解量子化学计算的原理、方法和步骤。 （3）通过一两个计算实例进行量子化学计算的上机操作试验。 （4）学会简单的分析和应用计算结果。 3. 量子化学计算试验的原理
超导磁通量子比特中的光子辅助隧穿
超导磁通量子比特中的光子辅助隧穿 孙国柱1，王轶文2，丛山桦1，曹俊宇1，陈健1，康琳 1， 许伟伟 1，于扬2，吴培亨1 （1、南京大学电子科学与工程系超导电子学研究所，南京 210093） （2、南京大学物理系固体微结构国家实验室，南京 210093） 摘 要: 在极低温的条件下（T=20 mK ），我们对Nb/AlOx/Nb 构建的超导磁通量子比特进行微波辐照，观察到了光子辅助隧穿。光子辅助隧穿的现象和共振隧穿有着很好的对应关系，证实了超导磁通量子比特中的量子化能级。改变微波功率，我们进一步得到了多光子作用下的光子辅助隧穿。 关键词: 超导量子比特；光子辅助隧穿；共振隧穿 中图法分类号：O511+.9 1、引言 量子计算以量子力学为基础，利用量子力学的一些独特性质，例如纠缠、并行计算等，再结合量子算法，可以解决许多经典计算无法解决的问题，例如大数质因子分解等。同时还可以用来研究量子态的演化。由于其在理论研究和实际应用上的巨大潜力，量子计算引起了国内外众多研究小组的兴趣，成为目前前沿研究的热点之一[1-3]。 量子计算和经典计算也有着相同之处，若要解决具体实际的问题，除了需要有效的算法之外，还需要真正的实体。对应于经典计算的比特位，量子计算中使用量子比特位。实现量子比特的物理载体有核磁共振、离子阱、量子点、超导结等等。超导量子比特是一种固态电路，有着较为成熟的设计和制备工艺，易于集成和拓展，并且通过电路设计可以原位调控相关参数，改变其量子特性。由于其上述的优点，相对于其他的物理载体而言，超导量子比特是最具潜力的量子比特载体。 目前，超导量子比特有以下几种形式[4-9]：相位量子比特、电荷量子比特和磁通量子比特。在我们的实验中，采用了RF-SQUID 类型的磁通量子比特[6,10,11]作为研究的对象。 图1（a ）给出的是RF-SQUID 的结构模型，是在一个超导材料构成的环中插入一个Josephson 结而构成的。整个系统的哈密顿量可以写成： 1 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20040284033）的资助。 (a) (b) 图1(a)RF-SQUID 结构示意图；（b ）对称双势阱的势能曲线)(ΦU ) (22Φ+=U C Q H ? ? ? ?????ΦΦ???? ?? ?? ?ΦΦ?Φ=Φ)2cos()(221)(02 0πβπL q f U U
超导磁强计
高温超导量子干涉磁强计的发展现状及其应用 南京师范大学物科院03级教育硕士王成 作为20世纪物理学的重要发现之一的超导电性，在1911年被荷兰物理学家卡末林一昂内斯发现以后，科学家们就对超导电性的实际应用提出了许多设想，并积极开发它的应用领域，超导传感器是最有希望的应用领域之一。超导传感器的核心是基于隧道效应的超导量子干涉器件(Superconducting quantum devices，常缩写为SQUID). SQUID实质上是将磁通转变成电压的磁通传感器，以它为基础可派生出多种传感器和测量仪器。 超导量子干涉磁强计工作的基础是“隧道效应”，SQUID就其功能来讲，是一种磁通传感器，不仅可以用来测量磁通量的变化，而且还可以测量能转换成磁通的其他物理量，如电流、电压、电阻、电感、磁感应强度、磁场梯度、磁化率、温度、位移等。SQUID配上输入和读出电路，就构成磁强计，它的灵敏度、动态范围、频率响应、响应时间比同类仪器高几个数量级。 一、超导测量仪器的技术研究发展历程： 自20世纪80年代发现了能工作于液氮温度(77K)的铜氧化物高温超导体后，由于液氮相对于液氦的廉价和使用上的方便，给高温超导体SQUID的应用提供了较多有利条件，国际上又掀起了高温超导体量子干涉(高Tc SQUID)磁强计的研制和应用的热潮。 随着高温超导薄膜技术的发展，外延生长高温超导薄膜的技术逐渐成熟，发展出了多种人工可控的采用高性能外延超导薄膜制备Josephson结及SQUID器件的技术。为了提高SQUID的磁场灵敏度，无论是dc SQUID或rf SQUID，都采用具有较大磁聚焦面积的方垫圈结构，有的还用高温超导薄膜做出磁通变换器、大面积磁聚焦器等与SQUID器件配合到一起，共同组成SQUID磁强计的探头。在电子线路方面与低温SQUID相比，也做了很多改进和提高。使磁强计的性能指标可以满足许多弱磁性测量应用的需要。 如图: SQUID磁强计在不同应用中的磁场灵敏度和频率范围 现在，国外已有多家小型公司可以提供商品化的高温 超导SQUI。这样性能的高温超导SQUID系统已经被用在 了生物磁测量、地磁测量、无损探伤、扫描SQUID显微 镜及实验室的弱磁测量等多个方面。 二、下面分别介绍超导量子干涉磁强计的测量应用 （一）生物磁测 1、生物电场与生物磁场 生物磁场是由生物电流引起的.人体内存在生物电 流是人们早已熟知的，临床上广泛应用的心电图、脑电图等就是心脏、大脑皮层等器官活动时所记录的生物电变化.生物电现象的产生是由于细胞在未受刺激时细胞膜内外两侧存在着内负外正的电势差(规定膜外电势为零)，称为静息电位。神经传导、肌肉收缩和腺体分泌等都伴有生物电的产生和传播。心脏的收缩和舒张就是由于心房或心室各部的心肌细胞受动作电位的刺激而以一定的周期同时收缩或舒张的结果。由此而产生的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液，反映到身体表面，就可以通过放置在人体表面的测量电极记录到反映心脏活动的电压变化，即心电图. 既然人体内存在生物电流，根据电磁学理论，这些生物电流必然会产生相应的磁场，如心磁场、脑磁场和肌磁场等等.但这些磁场非常微弱，一般人体的心磁场约为10- 10T，脑磁场约为10一13一10一12T，而人体生活环境所处的外磁场可高达10-5T，这就使一般测量仪器无法检测到生物磁场.正是由于这个原因，1963年鲍尔(Baule)和麦克菲(M cFee )记录到第
超导量子干涉传感器简介
超导量子干涉磁强计简介 首都师范大学物理系1070600080 吴晓龙 摘要：本文主要对超导量子干涉磁强计的工作原理、基本构造等做简单介绍。由于其原理所涉及的量子力学知识较深，本文基本不涉及相关计算，而直接运用其结果，尽可能从物理的角度对超导量子干涉磁强计的工作原理做出解释。 关键词：约瑟夫森效应、SQUID、超导 正文： 一、超导量子干涉磁强计的应用： 超导量子干涉（Super Conducting Quantum Interference Device）磁强计，是利用约瑟夫森（Josephson）效应设计的极敏感的磁传感器，最高可用于探测 T的磁场，是目前为止检测灵敏度最高的磁敏传感器。SQUID磁强计被应 用于主要应用于物理、化学、材料、地质、生物、医学等领域各种弱磁场的精确测量，如生命科学中对人体心、脑磁波的测量，极低温下的核磁化率、超导附近磁化率的涨落、在很宽温度范围内生物化学样品的磁化率，以及岩体在T c 石磁力等。当然由于其昂贵的造价，目前其市场占有率较霍尔元件传感器偏低，但其突出的高灵敏度将使其不断普及。 二、超导量子干涉磁强计的工作原理： 1、约瑟夫森效应（双电子隧道效应）： SQUID磁强计的超导环中采用了约瑟夫森结的结构， 这种基于约瑟夫森效应的结构是SQUID磁强计具有极高 灵敏度的基础所在。 一个约瑟夫森结由两块超导体中间夹一层薄的绝缘层 就形成（如图），绝缘层在1nm量级以保证量子效应显著。 绝缘层内的电势比超导体中的电势低得多，对电子的运动形成“势垒”。超导体中的电子的能量不足以使它通过这势垒，所以宏观上不能有电流通过。但量子力学原理指出，即使对于相当高的势垒，能量较小的电子也能有一定的概率透射，当“势垒”宽度逐步减小时，这种透射的概率将随之增大，在1nm量级，这种透射的概率已经很可观了。这种电子对通过超导的约瑟夫森结中势垒隧道而形成超导电流的现象叫超导隧道效应，也叫约瑟夫森效应。（1）直流约瑟夫森效应：约瑟夫森结允许通过很小的直流隧道电流的现象。此时约瑟夫森结与一块超导体相似，结上不存在任何电压，即流过结的是超导电流。但一旦超过临界电流值Ic，结上即出现一个有限的电压，结的性状过渡到正常电子的隧道特性。 （2）交流约瑟夫森效应：在超导结的结区两端加上一直流电压V，使得结电流I>Ic，此时在结上产生直流电压，即形成“势垒”，此时将产生单电子隧道效应，也就是说电子将以一定概率密度透射。而与此同时，可以发现结中会出现高频的超导正弦波电流，其频率与所施加的直流电压成正比，有如下关系式：
超导体的物理特性
超导体的物理特性及其军事应用 作者：刘玉超, 李鹏 ,张强收录时间：2011-11-07 阅读次数： 221 关键词: 超导体,军事应用 摘要：介绍了超导体的物理特性及超导器件在国内外军事领域上的研究和应用进展。 随着电子技术的不断向高、新、尖发展，超导电子技术便应运而生。超导体具有两个突出的特点：一是超导电性。它可以传导大电流，在较大的空间产生很强的磁场，不消耗或只消耗极少的能量(强电效应)；二是超导体器件对磁场或电磁辐射具有极高的灵敏度(弱电效应)。利用超导的强电效应特点，可以制成高效电动机和发电机、定向能武器、电磁炮、弹射器等。利用超导体对弱磁、弱电辐射的极高灵敏度特性，可以制成体积小、重量轻、超高速、特宽频带、低功耗、低噪声、抗干扰能力强的各种电子器件和系统。 1 超导体的物理特性 所谓超导体，是指电阻为零的物质。1911年德国物理学家海克·坎默林·奥尼斯首先发现世界上有超导物质存在，并认为所有金属都可能具有超导性，但是只有当它们冷却到几K，略高于绝对零度(-273℃)时，才具有超导性。经过科学家们不懈努力，目前，高温超导体发展迅速，已经走出了实验室，进入实际应用阶段。 1.1 零电阻效应 某物质在临界温度时，电阻消失的现象，就是零电阻效应。但是临界温度与物质种类有关，不同的超导体临界温度是不同的。同一物质有无外磁场的影响也是不同的，当物质在外磁场作用时，某临界温度要比没有磁场作用时要低。因此，随磁场的增强，临界温度将降低。只有外磁场小于某一量值时，物质才保持超导体的零电阻效应，这一磁场值称为临界磁场值。 1.2 迈斯纳效应 1933年迈斯纳(Meissenr)在实验中发现了下述事实：把在临界温度以上的锡和铅样品放人磁场中，这时样品内有磁场存在。当维持磁场不变而降低样品的温度转变为超导体后，结果其内部也就没有磁场了。这说明，在转变过程中，在超导体表面产生了电流，这电流在其内部产生的磁场完全抵消了原来的磁场，也就是说磁力线不能穿过超导体物质内部，也就是所谓的迈斯纳效应。这一效应表明，超导体具有绝对的抗磁性。 1.3 约瑟夫逊效应 1962年，约瑟夫逊(B.D.Josephson)发现，在两块超导体中间夹一薄的绝缘层就形成了一个约瑟夫逊结。按经典理论，两种超导材料之间的绝缘层是禁止电子通过的，这是因为绝缘层内的电势比超导体中的电势低得多，对电子的运动形成了一个高的“势垒”，绝缘体的电子能
2018~2019年度广东省重大科技专项量子科学与工程申
附件1 2018～2019年度广东省重大科技专项 “量子科学与工程”申报指南 （征求意见稿） 本专项依据国家和省有关科技发展规划，完善政产学研用协同创新的体制机制，统筹相关高校、科研院所和相关企业的创新要素和优势资源，着力突破以量子信息为主导的第二次量子革命的前沿科学和核心关键技术，培育形成量子计算、量子通信、量子领域重大科学仪器等战略性新兴产业。 2018～2019年度将针对国家和广东战略需求，在量子通信、量子计算与量子模拟、量子领域重大科学仪器研发等方面进行布局，开发三维多比特集成量子计算芯片，研制基于固态量子计算芯片的专用量子计算机，搭建广东星—地一体量子通信试验示范网，开展量子通信系统的集成化技术及量子计算初期技术和重大科学仪器研发。部分技术指标略。 专题一：城域量子安全通信时频网络及关键技术（专题编号：0324） （一）研究内容。 建设广州市量子安全通信时频网络，覆盖主要经济区域，研究高精度时间同步技术、安全量子时间同步网络关键技术、固态
量子存储技术、量子通信系统的集成化技术。具体内容包括：1.建设覆盖天河区、白云区和番禺区的量子安全通信时频环网。2.研究城域网范围内的高精度时间同步技术，并在此基础上完成高精度位置定位。3.研究安全的量子时间同步方案，探索量子力学原理在时间同步中的应用，并利用量子手段保证时间传输的安全性。探索利用人工智能及大数据技术进行量子保密时频传输的设计与分析。4.完成窄脉冲纠缠源、低抖动单光子探测器等关键器件的研究设计。5.研制针对量子卫星与量子中继器的固态存储器6.研发可替代量子通信系统分立光学元件的集成光子器件，包括量子通信发射、接收端芯片、高速稳定的移相器等。 （二）考核指标。 1.建设量子通信环网，成码速率不低于相同等级干线或城域网络指标，实现迂回路由切换和多个用户同时接入使用网络，和量子时频网络共用物理资源。 2.节点之间实现高精度的量子时间同步实验，并在此基础上完成高精度位置定位应用示范。 3.节点之间实现高精度的量子安全时频同步实验，可以抵御多种不同的中间人攻击。 4.研发窄脉冲纠缠源和低抖动单光子探测器，发射脉宽器件、探测器单次时间测量抖动达到国际先进水平。 5.研发非通信波长和通信波长的固态存储器，存储的相干时间达到国际先进水平。 6.研发低损耗和高速的量子通信集成器件。 专题二：基于超导量子芯片的专用量子计算机研发（专题编号：0325）
超导量子比特的耦合研究进展_赵娜
超导量子比特的耦合研究进展* 赵娜1)2)?刘建设1)2)李铁夫1)2)陈炜1)2) 1)(清华大学微电子学研究所,北京100084) 2)(清华信息科学与技术国家实验室,北京100084) (2012年5月15日收到;2012年7月30日收到修改稿) 超导量子比特以其在可控性、低损耗以及可扩展性等方面的优势被认为是最有希望实现量子计算机的固态方式之一.量子比特之间的相干可控耦合是实现大规模的量子计算的必要条件.本文介绍了超导量子比特耦合方式的研究进展,包括利用电容或电感实现量子比特的局域耦合,着重介绍一维传输线谐振腔作为量子总线实现多个量子比特的可控耦合的电路量子电动力学体系,并对最新的三维腔与超导量子比特的耦合结构的研究进展进行了论述.对各种耦合体系的哈密顿量进行了比较详细的分析,并按照局域性和可控性对不同耦合机制进行了分类. 关键词:量子计算,超导量子比特,腔量子电动力学,耦合 PACS:03.67.Lx,85.25.?j,42.50.Pq,03.65.Yz DOI:10.7498/aps.62.010301 1引言 近年来,随着半导体CMOS集成电路技术不断接近其技术极限,量子计算作为一种有希望的下一代计算技术受到了越来越多的关注,而结合固态电路和超导技术优势的超导量子电路成为研究热点.量子计算机是一种基于量子力学的新型信息处理系统[1].由于其内在的并行性,量子计算机可以解决一些经典计算机无法解决的问题,例如在多项式时间内进行大数分解等.量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统,对于大规模量子系统的模拟,经典计算机是难以胜任的.量子计算的基本原理就是利用量子化的二能级系统作为信息处理的基本单元(量子比特),通过对量子态的调控,完成复杂的计算和信息处理.信息的传统表示方法是人们所熟知的,比如用电压的高低来表示二进制的0和1.而在量子信息科学中,是用两状态的量子系统来表示逻辑0和1,如光子的两个不同的偏振态、原子的能级、电子的自旋、原子核的自旋或者电子的电荷自由度等.目前已经提出多种实现量子比特的方法,包括核磁共振、离子阱、量子点、光学腔和超导电子器件等.而超导器件由于其可与传统的微电子加工技术兼容、可扩展性好、损耗低而受到了广泛关注. 一般可以把超导量子比特分为三类:电荷量子比特、相位量子比特和磁通量子比特.组成量子比特的基本元件是约瑟夫森结(Josephson junction),该元件是两块超导体中间有一层很薄的绝缘层,该绝缘层成为一个势垒,库珀对能够隧穿过该势垒形成超导电流,其物理效应称为约瑟夫森效应[2].超导电荷量子比特是指约瑟夫森结上的充电能E C大于约瑟夫森能E J,即可用电荷自由度,也就是超导体中的库珀对数目作为量子比特的特征状态[3].相位量子比特实际上是电流偏置的单个约瑟夫森结,用于该结构的约瑟夫森结面积比较大,对电荷噪声不敏感.通过调节偏置电流,可以控制势阱里只存在二到三个能级,这样可以选用最低的两个能级作为量子比特所需的两个计算基矢态[4].磁通量子比特通常是指由一个或多个约瑟夫森结组成的超导环,其势能为双稳态势阱.磁通处于左、右两个势阱中的状态分别表示量子比特的|0?和|1?.在超导环中穿过接近半个磁通量子的外加磁通,通过 *国家重点基础研究发展计划(批准号:2011CBA00304)和国家自然科学基金(批准号:60836001)资助的课题. ?通讯作者.E-mail:n-zhao07@https://www.sodocs.net/doc/f91301011.html, c?2013中国物理学会Chinese Physical Society https://www.sodocs.net/doc/f91301011.html,
超导量子干涉器及应用_钟青
现代计量测试1998年第3期 超导量子干涉器及应用 钟 青 乔蔚川 (中国计量科学研究院,北京 100013) 摘要:作为灵敏度极高的磁传感器,超导量子干涉器的制作工艺日臻完善,它的应用也愈来愈接近现实。本文简要介绍它的原理及应用。 一、引言 超导量子干涉器,简称SQUID(Superco nducting Quantum Interfer ence Device),是一种灵敏度极高的磁通-电压传感器。它通常含有一个或更多的约瑟夫逊结。约瑟夫逊结是两个超导体之间的弱连接,可以通过小于临界电流的超导电流。 按器件工作时偏置方式不同,SQUID可分为直流(DC-)和射频(RF-)两种,如图1。DC-SQU ID 是在一个超导环路中插入两个约瑟夫逊结。当偏置的直流电流略大于两个结的临界电流之和时,器件的阻抗和器件两端的电压是穿过环路的外磁通量的周期函数,其周期为一个磁通量子 0( 0= 2.07×10-15Wb)。RF-SQU ID是在一个超导环路中插入一个约瑟夫逊结。射频电流通过谐振槽路的电感耦合到超导环路中。槽路的阻抗和输出电压随穿过超导环的磁通而周期变化。环中磁通每增加或减少一个磁通量子,输出电压变化一个周期。 图1 (a)DC-SQ U ID (b)R F-SQ U I D 在偏置电流上加一个调制信号,用锁相放大器测量输出电压,并线性化电压与磁通的关系,如图2。最后,SQUID输出一个与穿过超导环路的磁通呈线性关系的电压。 SQUID的优点主要表现在:(1)极高的灵敏度。在低温方面,DC-SQUID磁场灵敏度最好的是2fT/Hz1/2[1];在高温方面,RF-SQ UID最好的磁场灵敏度为15fT/Hz1/2[2];磁通灵敏度为10×10-6 0/Hz1/2[2]。(2)极大的动态范围,高温仪器可达到±400 0[3]。(3)极好的线性度,通常的磁测量仪器都是非线性或局部线性的,而SQUID是线性的。(4)极快的响应时间,即摆率大,大于1.2×106 0/s[2]。
超导量子计算相关
第18卷 第7期 2008年7月3专题评述3 超导量子比特的物理实现 3 董 宁 王轶文 于 扬33 南京大学物理系固体微结构国家实验室,南京210093 孙国柱 曹俊宇 丛山桦 陈 健 吴培亨 南京大学电子科学与工程系超导电子学研究所,南京210093 2007211207收稿,2008201208收修改稿 3国家自然科学基金(批准号:10674062)、江苏省自然科学基金(批准号:B K2006118)和教育部博士类基金(批准号:20060284022)资助 项目 33通信作者,E 2mail :yuyang @https://www.sodocs.net/doc/f91301011.html, 摘要 量子信息和量子计算有可能给人类带来新的革命性发展.超导量子比特作为实现量子计 算的方案之一,以其低耗散,大设计加工自由度,易规模化等优点而备受注目.文中对超导量子比特的基本原理及发展前景作了简要综述,并介绍了作者的研究进展.关键词 超导量子比特 Josephson 效应 量子计算 1 量子计算简介 建立在半导体工业基础上的计算机和信息产业是当前世界经济发展的重要组成部分.计算机和信息产业的发展要求信息存储容量不断增加,计算速度不断提高.半导体工业界有一个著名的Moore 定律,就是说每18个月计算机芯片的容量会增加一倍.Moore 定律的成立是通过缩小信息存储单元位或比特(BIT )的尺寸来完成的,目前信息存储单元已经快接近纳米尺度,也就是原子和分子的尺度.随着器件的尺寸不断缩小,半导体工业的发展面临两个困难:一个是器件的散热问题,这是一个技术难题;另一个是比特中的电子的量子行为比如量子隧穿等引起比特的失效,这是基本物理问题.这两个问题都会导致Moore 定律的失效,如果按现在的趋势不变,2012年左右半导体工业就到了极限,计算机和信息产业的发展就会基本停滞. 因此,如何保持计算机和信息产业的发展就成为科学家们要解决的问题.人们提出了许多方案, 归纳起来有两大类:一类是技术型方案,就是提出 新的器件设计,使器件发热减少并且可以在量子效应存在的情况下工作,这个方案的代表有单电子器件和自旋电子器件等;另一类是革命性方案,直接用量子特性来进行信息存储和处理,这就是量子信息和量子计算[1].量子计算机利用了量子态的叠加性,能够成指数倍的提高计算速度,所以它能解决一些经典计算机无法解决的问题.例如,将一个大数分解成两个质数的乘积就是一个非常困难的问题,使用经典计算机,它所需要的时间是按着大数的位数的指数增加.而它的逆问题则非常简单,我们用计算器就能算出两个质数的乘积.目前人们正是利用了这个问题的特性来进行密码的编译.对于量子计算机,大数分解所需的时间是按着大数的位数的幂函数形式增加的.一个生动的例子是,一台量子计算机能在数秒钟之内把一个250位的大数分解为两个质数的乘积,而一台现在的大型计算机需要800000年!所以如果做成了量子计算机,就能够破译目前普遍使用的RSA 密码体系. 1 27
超导量子比特系统在量子信息中的应用
超导电荷量子比特在量子信息中的应用 乔盼盼，艾合买提·阿不力孜 （新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆乌鲁木齐830054）摘要：随着量子计算机以及量子算法的提出，人们开始寻找可以实现量子计算机的真实物理体系。超导量子电路以其丰富的可设计性和优良的易集成性成为最有潜力实现量子计算机的人造量子体系。本文介绍了超导量子比特的基本原理、超导电荷量子比特的耦合以及耗散和退相干问题，展望了超导电荷量子比特在量子计算和量子信息科学中的应用前景。 关键词：超导电荷量子比特Josephson效应量子信息 1、引言 量子计算机的提出给人们描绘一幅经典计算机不能比拟的美好画面。Shor量子算法的提出使得人们对于基于大数因子分解问题的难解性的现行公钥密码体系安全性提出了质疑。利用量子保密协议则实现绝对安全的保密通信成为人们关注的热点话题[1]。要实现量子计算和量子计算机以及量子通讯需要最基本的物理量子体系作为支持。适用的量子体系需要满足5个条件：可初始化，可调控，可耦合，可测量，以及长的相干时间[2]。 现在正在研究的量子计算体系有很多，主要的有：量子点系统、超导量子电路、离子阱系统、光学系统、核磁共振系统等。其中作为宏观量子体系的超导量子电路以其丰富的可设计性和优良的易集成性成为最有潜力实现量子计算机的人造量子体系。常见的超导量子比特按其宏观变量的不同可以分为超导电荷量子比特、超导磁通量子比特和超导位相量子比特。本文将重点介绍基于电荷自由度的超导电荷量子比特的基本原理，量子比特间的耦合以及耗散和退相干问题。在文章的最后对超导电荷量子比特在量子计算和量子信息科学中的应用前景进行了展望。 2、超导电性与超导电荷量子比特 早在上世纪八十年代初，2003年Nobel物理学奖得主Anthony.J.Leggett就提出了Josephson系统中的宏观量子相干。他指出，在Josephson结电路中可以观测到宏观量子相干现象。但与光子的双缝干涉或者是电子的隧道效应的区别在于Josephson结电路中的表现形式是大量电子集团运动的相干迭加。超导量子电路的关键部分是一类人造
量子化学计算
物理化学专业博士研究生课程 教学大纲 课程名称：量子化学计算（Computational Quantum Chemistry） 课程编号：B07030411 学分：3 总学时数：72 开课学期：第2学期 考核方式：学习论文 课程说明：（课程性质、地位及要求的描述）。 《量子化学计算》是在学习了《结构化学》、《量子化学》之后，为物理化学专业博士研究生开设的一门方向课，在每学年第二学期讲授。 如果说《结构化学》、《量子化学》还有更多的抽象，那么《量子化学计算》则直接对各研究体系进行可与实验对比的计算机模拟。近二十年来，随着计算机硬件和软件水平的迅速发展，计算化学已成为理论化学的重要分支，主要通过量子化学方法、分子力学方法以及分子动力学模拟来解决与化学相关的问题。目前，计算化学已广泛应用于化学及相关交叉学科的各个领域，迅速成为定量预测分子的结构、性质以及反应性能的有力工具。 本课程计划安排72个学时。采用授课与上机演习相结合的教学方法，使学生在较短时间内掌握当今国际流行的常用计算软件的原理、使用方法及技巧，着重培养同学们解决化学实际问题的能力。要求同学们通过本课程的学习，能对计算化学的原理和方法有一个初步的了解，并能够在化学合成、反应机理、生物、材料等各个领域中得到应用。 教学内容、要求及学时分配： 第一章绪论 内容： 1.1量子力学历史背景 1.221世纪的理论化学计算机模拟
要求：了解量子化学的背景知识、国际国内发展现状及其未来方向学时：4 第二章从头计算法的基本原理和概念 内容： 2.1量子力学基本假设2.2定态近似 2.3从头计算法的“头” 2.4自洽场方法2.5变分法和LCAO-MO近似 2.6量子化学中的一些基本原理和 概念 2.7量子化学中的基本近似 要求：了解从头计算法的基础知识、计算化学中的一些基本原理、概念和近似。 学时：12 第三章布居分析和基组专题 内容： 3.1布居分析 3.2基组专题 要求：理解基组概念及选择的原则，掌握布居分析的计算方法和基组的计数，了解Mulliken布居分析的优缺点及改进的思路。 学时：6 第四章计算方法简介 内容： 4.1半经验方法 4.2HF方法 4.3Post-HF方法 4.4DFT方法 4.5SCF-X 方法 4.6精确模型化学理论方法——Gn 和CBS 4.7赝势价轨道从头计算法 4.8激发态的计算——CIS和CAS 4.9溶剂效应 4.10分子力学和分子动力学基础 要求：了解一些常用计算方法的基本原理及优缺点，重点掌握AM1、INDO、MNDO/PM3、HF、MP、CI、CC、DFT、CAS、溶剂效应等方法的原理，掌握选择计算方法的思路和原则。
量子比特器件的制备技术研究
量子比特器件的制备技术研究 超导量子计算是量子计算的一种固态技术方案,超导量子比特是其基本单元,超导量子比特具有易集成、低损耗、且可以通过物理结构来控制电路参数等特点,使得超导量子计算从被提出至今,一直是国内外研究的热点。然而超导量子比特电路也存在很多的需要突破的地方,一方面,超导量子比特易与周围复杂的电磁环境耦合,从而缩短其从激发态退化到基态的时间,即退相干时间较短;另一方面,随着人们对超导量子比特研究的不断深入,目前超导量子比特集成规模已经从两三个量子比特发展到十几个量子比特耦合,多量子比特之间耦合、集成和封装等关键问题日趋明显。 本文以三维传输子量子比特(3D-transmon)作为模型,结合实验测量系统,设计出3D-transmon的结构,研究了 Al/AlOx/Al结构的约瑟夫森结的制备工艺,成功制备出3D-transmon样品,退相干时间T1约566ns,对退相干时间T1较短的原因进行了分析,并根据分析结果对后期样品制备工艺进行了改进;同时对超导多量子比特集成和封装工艺进行了初步探索,用低熔点锡为电极材料,初步研究了金衬底上电极制备工艺。具体工作如下:1、3D-transmon的分析与设计对多种超导量子比特进行了介绍,分析了 3D-transmon结构中的物理参数对电路的影响。 并结合实验测量系统,设计出了 3D-transmon。2、3D-transmon的制备与测量采用电子束光刻技术在高阻Si衬底上制备在出亚微米双层胶悬空掩模,重点解决了电子束曝光剂量和下层胶显影时间的问题,再通过电子束斜蒸发与垂直蒸发相结合来制备Al/AlOx/Al超导隧道结。 将隧道结与三维谐振腔耦合,实现3D-transmon,并在20mK下测量了 3D-transmon的量子特性,包括基态到第一激发态能级跃迁频率、拉比震荡、能
低通、带通电路在超导磁通量子比特测量中的应用
低通、带通电路在超导磁通量子比特 测量中的应用 曹俊宇1，孙国柱1，王轶文2，丛山桦1，陈健1，于扬2，吴培亨 1 （1、南京大学电子科学与工程系超导电子学研究所，南京 210093） （2、南京大学物理系固体微结构国家实验室，南京 210093） 摘 要: 在测量超导磁通量子比特信息时，我们给出了低通和带通两种测量电路。低通电路采用双绞线，通过RC 滤波器、铜粉滤波器，再接到样品上。该方法可以用于测量DC-SQUID 结的跳变电流统计分布，从而获知量子比特的信息。带通电路用微波同轴线作为导线，通过衰减器、铜粉滤波器，到样品上，再通过电容接地。该方法可以用于测量超导量子比特的量子化能级、迟豫时间、Rabi 振荡等特性。 关键词: Josephson 结 低通电路 带通电路 中图法分类号：O511+.9 1．引言 近年来，量子力学无论是在理论还是在实验方面，都取得了迅速的发展。特别是在量子计算和量子通信领域，更是不断有新的成果。目前，已有不少的物理系统被研究用来作为量子比特的物理载体。其中，超导量子比特由于具有其他的量子比特所无法比拟的优越性，比如其可扩展性、可操作性以及相关工艺的日渐成熟等等，正在越来越被受到重视。最近许多小组的工作，正在推动超量子比特的进一步发展[1-9]。 超导量子比特大体可以分为：电荷比特、磁通比特、相位比特。RF-SQUID 类型的超导磁通量子比特，由于其尺寸在宏观层面上，因此在该类型的样品中实现量子性能的测量，更能说明宏观物体在一定的条件下，也会呈现出量子特性[2,10,11]。 RF-SQUID 是在超导环中接入一个约瑟夫森结（结构示意图见图1(a)）。其哈密顿量可以写成： 其中，Q 为电荷量，C 为结电容，)(ΦU 为势能，L U 2 2 04πΦ=，0 2Φ=c L LI πβ，L 为环路的电感，q f Φ为环中外加的磁场，0Φ是磁通量子，Φ是与Josephson 结两端的相位差?相对应的磁场，即02Φ= Φπ?。当02 1 Φ=Φq f ，L β取适当值的时候，)(ΦU 呈现出对称的双势阱（图1（b ））。 可以将Φ的运动比成一个粒子在双势阱中的运动。在经典的情况下，粒子不是在左边势阱就是在右边势阱。而在量子的情况下，粒子在每个势阱中的能级是量子化的，并且，在中间 1 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20040284033）的资助。 ),(22 Φ+=U C Q H ?? ??????ΦΦ???????? ?ΦΦ?Φ=Φ)2cos()(221)(0200πβπL q f U U 图1(a)RF-SQUID 结构示意图；（b ）对称双势阱的势能曲线)(ΦU (U
超导
超导之谜 超导现象及其主要特性 一、什么是超导体 到目前为止，科学家已发现某些金属（包括合金）、有机材料、陶瓷材料在一定的温度T c 以下，会出现零电阻的现象，我们称这些材料为超导体。同时，科学家们还发现，强磁场能破坏超导状态。每一种超导材料除了有一定的临界温度T c 外，还有一个临界磁场强度H c ，当外界磁场超过H c 时，即使用低于T c 的温度也不可能获得超导态。此外，在生物体中也发现有超导现象存在。 超导现象首先是由荷兰Leiden 大学学者Kamerlingh Onnes （卡末林·昂尼斯）在1911年发现的。早在1908年，Leiden 实验室就掌握了He （氦）气的液化技术，He 在一个大气压下液化时，温度为4.2K ，Onnes 将这一低温技术成果用来研究Hg （水银）导线的电阻随温度变化的规律。他测得样品在温度为4.2K 时，电阻骤降为零。当时，所有的理论都无法圆满地解释金属导体这种非零温下的零电阻效应。几乎经历了半个世纪，这个谜 才得到解答。 二、超导的主要特性 超导现象有许多特性，其中最主要的有五个，即零电阻效应，完全抗磁性效应（Meissner 效应），二级相变效应，单电子隧道效应，约瑟夫森（Josephson ）效应。下面，将分别加以介绍。 1. 零电阻效应 零电阻是超导体的一个最基本的特性。图3-1是金属电阻与温度的关系曲线，在T >T c 时，R 与T 成直线关系。当温度降低时，这种线性关系会失去，从而出现偏离线性的情况。当T 达到临界温度T c 时，电阻R 突然变为零。由经典理论可知，金属中的电阻是由晶格热振动对自由电 子定向漂移的散射所引起的。金属原子容易失去其外层电子而变成带正电的离子，这些离子在金属中有规则地呈周期性排列，形成晶格。在晶格中，正离子只能在平衡位置附近作热振动。当自由电子在外电场作用下进行定向运动时，自由电子各向同性的热运动与沿电场力方向的定向运动就叠加在一起，称为定向漂移。定向漂移的电子将和作热振动的正离子发生碰撞。碰撞中，产生两个结果：一是自由电子在碰撞时把定向漂移的能量传给正离子，使正离子的热振动加剧；二是自由电子在碰撞中，改变了原运动方向，被称为散射。我们可以用日常观察到的碰撞来说明这种散射及能量交换效果。当你观察台球运动时，常会看到图3-2所示的情况：球A 与球B 碰撞后，改变了自己原来的运动方向。 O T 图3-1 在T c 处，R 陡降为0 'B ' B 碰撞改变球的运动方向 图3-2 球A 将它全部的动能交给球B 图3-3 C
超导量子干涉传感器简介
超导量子干涉磁强计简介 关键词：约瑟夫森效应、SQUID 超导 正文： 一、超导量子干涉磁强计的应用： 超导量子干涉(Super Con duct ing Qua ntuml ntefere nee Device )磁强计, 是利用约瑟夫森(Josephson )效应设计的极敏感的磁传感器，最高可用于探测 于主要应用于物理、化学、材料、地质、生物、医学等领域各种弱磁场的精 确测量，如生命科学中对人体心、脑磁波的测量，极低温下的核磁化率、超导体 在T e 附近磁化率的涨落、在很宽温度范围内生物化学样品的磁化率，以及岩石 磁力等。当然由于其昂贵的造价，目前其市场占有率较霍尔元件传感器偏低， 但 其突出的高灵敏度将使其不断普及。 二、超导量子干涉磁强计的补偿思路： 由于在量子控制中，被控对象的状态易受环境影响，故应考虑引入环境工程 的思想，用冷却阱、低温保持器等控制周围环境，使周围环境中的物质处于能量 较低的状态，以减小对对象的影响。而与此同时量子传感器在探测对象量子态时 也可能引起对象或传感器本身状态的不稳定， 这就要考虑将测试系统的哈密顿量 也计算到被测系统中进行计算。当然冷却阱需要巨大的功率维持、将测试系统的 哈密顿量考虑在内也并不是一件简单的事。 三、超导量子干涉磁强计的工作原理： 2、SQUID 灵敏度： 在小超导环中，电流能够持续流动，但由周期性边界条件的限制，只有某些 分立的状态能够存在。电流的量子化使得磁通也必将是量子化的。 量子化单位是: 2 施“t 二 2 n7i3j (j = L I cc To = ---- =2.07 fWb 其中n 为量子数，叫让为内磁通量， Z 为磁通量子，是 磁通变化的最小单位，L 为回路自感，工"为回路循环电流。 当外磁通量通过超导环时，循环电流通过状态的改变，即量子数发生改变使 得净磁通量Iint + 为最小化，由楞次定律，将在反方向产生电流。故可知 量子数n 的变化是外加磁通的象征，是 以 勤为单位的。 对给定的磁通密度，由于量子化，1 An)? |ll_ "T 的磁场, 是目前为止检测灵敏度最高的磁敏传感器。 SQUID 磁强计被应用
量子计算机基本原理是什么,又长什么样
量子计算机基本原理是什么，又长什么样 （原标题：再谈量子计算机：中国队有何突破；基本原理是什么，又长什么样） 唐旭安妮晓查发自凹非寺量子位报道| 公众号QbitAI 继续谈谈量子计算。昨天，中科院召开发布会正式宣布：“世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机在中国诞生”。这件事当然要点赞，不过也要有正确的姿势。几个要点有人在激动之余，把这件事理解为“世界第一台量子计算机诞生”， 这显然就不对了。也没有正确理解中科大潘建伟、陆朝阳、朱晓波和浙大王浩华等教授，经过长期攻关获得的这一成果。中国这台量子计算机性能如何？通过公开信息可见：■ 目前只有一个单光子的量子模拟机，并且证明了通过量子计算的并行性加速求解线性方程组的可行性。■ 这个科研用的模拟机，性能比人类第一台电子管计算机（1946年诞生）和第 一台晶体管计算机（1954年诞生）快10-100倍。实际上，这件事的突破之处体现在以下三个方面：1、高效率多光子玻色采样在玻色采样这个问题上，量子算法有着指数级的优势。潘建伟团队制造出一台专门计算玻色采样的光量子计算机，在计算三光子、四光子、五光子玻色采样问题时，计算速度比国外同行和早期计算机要快。相关论文：
https://www.sodocs.net/doc/f91301011.html,/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/n photon.2017.63.html2、超导电路中实现10比特纠缠和并行逻辑运算就目前已经公开的情况看，是超导量子系统中最多的比特纠缠数，这在全世界也是处于领先的水平。相关论文：https://https://www.sodocs.net/doc/f91301011.html,/pdf/1703.10302.pdf3、使用超导量子处理器求解线性方程组在四个超导量子比特上，证明了通过量子计算的并行性加速求解线性方程组的可行性。相关论文：https://https://www.sodocs.net/doc/f91301011.html,/pdf/1703.06613.pdf先说到这里，懂的自然懂，不懂的应该还是不懂……有专业人士给了量子位一个简单的总结：是个很棒的成果，但仍然需要冷静看待。基本原理和现状概况昨天不少读者在后台留言，希望解释一下量子计算机。那么，接下来量子位就强行讲讲量子计算机。目前量子计算机有很多实现的方法，上面潘建伟团队使用的就是超导+多光子的方法。除此以外，还有半导体量子芯片和离子阱等等路径。为了制造量子计算机，谷歌、IBM想出的办法是用超导回路，深耕半导体行业几十年的英特尔希望用传统的硅晶体管，而一家名为ionQ的公司则是使用离子。核心原理无非一个：进入量子力学奇怪和反直觉的世界（包括叠加态以及纠缠、隧穿），加快计算速度。与传统计算机使用0或者1的比特来存储信息不同，量子计算机使用量子比特来存储信息。量子比特存储的信息可能是0、可能是1，或者有可能既是0也是1。量子力学认为，微观物体可以处