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量子传导实验中高频传输的模拟和测量
2. 理论背景 3 2.1. 电路量子电动力学 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.4. 色散区域 . ...机电耦合………………………………………………………………………………………………………………10 2.2.3. 归一化应变场……………………………………………………………………………………………………………………12
模块化电路QED量子计算的构建块
3.1连接的量子模块。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。24 3.2可扩展设备的配置。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。27 3.3 Transmon Qubit。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。31 3.4 Transmon的色散读数轨迹。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。35 3.5读取直方图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。35 3.6基本的谐振器测量概括。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。36 3.7在不同的谐振器配置中响应。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。39 3.8谐振器功率依赖性。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。41 3.9反馈冷却过程。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。43 3.10腔状态的数字峰值分辨率。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。46 3.11存储腔的直接光谱。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。47
量子计算机中的经典混沌
量子计算硬件的发展面临着这样的挑战：当今的量子处理器由 50-100 个量子比特组成，其运行范围已经超出了经典计算机的量子模拟范围。在本文中，我们证明，模拟经典极限可以成为一种有效的诊断工具，用于诊断量子信息硬件对混沌不稳定性的影响，从而有可能缓解这一问题。作为我们方法的试验台，我们考虑使用 transmon 量子比特处理器，这是一个计算平台，其中大量非线性量子振荡器的耦合可能会引发不稳定的混沌共振。我们发现，在具有 O（10）个 transmon 的系统中，经典和量子模拟会导致相似的稳定性指标（经典 Lyapunov 指数与量子波函数参与率）。然而，经典模拟的一大优势是它可以应用于包含多达数千个量子比特的大型系统。我们通过模拟所有当前的 IBM transmon 芯片（包括 Osprey 一代的 433 量子比特处理器以及具有 1121 个量子比特的设备（Condor 一代））展示了此经典工具箱的实用性。对于实际的系统参数，我们发现 Lyapunov 指数随系统规模而系统性地增加，这表明更大的布局需要在信息保护方面付出更多努力。
对量子计算机上的量子灯干扰建模
传统上，光子设备的建模涉及求解光 - 膜相互作用和光传播的方程。在这里，我们通过使用量子计算机重现光学设备功能来演示另一种建模方法。作为例证，我们模拟了薄膜上的光的量子干扰。这种干扰可以导致通过薄膜的完美吸收或总传输光，这种现象吸引了对经典和量子信息网络中数据处理应用的关注。，我们将光子在干扰实验中的行为映射到Transmon的量子状态的演变，Transmon是IBM量子计算机的超导电荷矩形。实际光学实验的细节在量子计算机上无效地复制。我们认为，这种方法的优势在建模复杂的多光子光学效果和设备方面应该显而易见。
利用超导量子比特进行量子传感实验
2超导量子位。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7 2.1量子位理论。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7 2.1.1量子状态和Bloch球体。。。。。。。。。。。。。。。。。。7 2.1.2量子操作员。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 2.1.3驾驶量子。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10 2.1.4量子的色散读数。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11 2.1.5混合状态。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。12 2.2从Qutrits和Qutrits和Qudits。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。12 2.3超导性。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。13 2.3.1 I型和II型超导体。。。。。。。。。。。。。。。。。。15 2.3.2磁场中的薄膜。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。17 2.4约瑟夫森效应。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。18 2.4.1鱿鱼。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。19 2.4.2磁场中的约瑟夫森连接。。。。。。。。。。。。。。19 2.5 Transmon Qubit。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。20 2.5.1同心transmon。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。23 2.6超导Qubits的损失机制。。。。。。。。。。。。。。。。24 2.6.1珀塞尔和辐射损失。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。26 2.6.3问题。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。27 2.6.4涡流流动。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。28
隧道结中约瑟夫森谐波的观察
开发大规模超导量子处理器的方法必须应对固态设备中普遍存在的大量微观自由度。最先进的超导量子比特采用氧化铝 (AlO x ) 隧道约瑟夫森结作为执行量子操作所需的非线性源。对这些结的分析通常假设一种理想化的纯正弦电流相位关系。然而，这种关系预计仅在 AlO x 屏障中透明度极低的通道极限下成立。在这里，我们表明标准电流相位关系无法准确描述不同样品和实验室中 transmon 人造原子的能谱。相反，通过非均匀 AlO x 屏障的介观隧穿模型预测了更高约瑟夫森谐波的百分比级贡献。通过将这些包括在 transmon 哈密顿量中，我们获得了计算和测量能谱之间数量级更好的一致性。约瑟夫森谐波的存在和影响对于开发基于 AlO x 的量子技术（包括量子计算机和参数放大器）具有重要意义。例如，我们表明，经过设计的约瑟夫森谐波可以将传输量子比特中的电荷分散和相关误差降低一个数量级，同时保持其非谐性。
手性腔量子电动力学
腔量子电动力学通过将谐振器与非线性发射器 1 耦合来探索光的粒度，在现代量子信息科学和技术的发展中发挥了基础性作用。与此同时，凝聚态物理学领域因发现底层拓扑 2 – 4 而发生了革命性的变化，这种拓扑变化通常源于时间反演对称性的破缺，例如量子霍尔效应。在这项工作中，我们探索了拓扑非平凡的 Harper-Hofstadter 晶格 5 中 transmon 量子比特的腔量子电动力学。我们组装了铌超导谐振器 6 的晶格，并通过引入亚铁磁体 7 来破缺时间反演对称性，然后再将系统耦合到 transmon 量子比特。我们用光谱方法分辨晶格的各个体模式和边缘模式，检测激发的 transmon 和每个模式之间的 Rabi 振荡，并测量 transmon 的合成真空诱导兰姆位移。最后，我们展示了利用 transmon 计数拓扑能带结构每个模式内单个光子 8 的能力。这项工作开辟了实验手性量子光学 9 领域，使微波光子的拓扑多体物理成为可能 10,11，并为背向散射弹性量子通信提供了途径。由光构成的材料是量子多体物理学的一个前沿 12 。依靠非线性发射器来产生强光子 - 光子相互作用和超低损耗超材料来操纵单个光子的属性，这个领域探索了凝聚态物理和量子光学的接口，同时生产用于操纵光的设备 13,14。最新研究成果表明，光子在具有拓扑特性15的光子中会经历圆形时间反转破缺轨道，这为探索诸如（分数）量子霍尔效应2、3、Abrikosov晶格16和拓扑绝缘体4等固态现象的光子类似物提供了机会。在电子材料中，圆形电子轨道是由磁或自旋轨道耦合4产生的。与电子不同，光子是电中性物体，因此不会直接与磁场耦合。因此，人们正在努力为光子生成合成磁场，并更广泛地探索在合成光子平台中拓扑量子物质的概念。光学和微波拓扑光子学都在这一领域取得了重大进展。在硅光子学 17、18 和光学 19、20 中，通过在偏振或空间模式中编码伪自旋，已经实现了合成规范场，同时保持了时间反转对称性。在射频和微波超材料中，已经探索了具有时间反转对称性 21、22 和破缺时间反转对称性的模型，其中时间反转对称性破缺由以下因素引起：
在量子计算机上建立量子光干涉模型
光子器件的建模传统上涉及求解光与物质相互作用和光传播方程。在这里，我们通过使用量子计算机重现光学器件功能来演示一种替代建模方法。作为说明，我们模拟了光在薄吸收膜上的量子干涉。这种干涉可以导致光在薄膜上完全吸收或完全透射，这种现象引起了经典和量子信息网络中数据处理应用的关注。我们将干涉实验中光子的行为映射到 transmon 量子态的演化，transmon 是 IBM 量子计算机的超导电荷量子位。真实光学实验的细节在量子计算机上完美再现。我们认为，这种方法的优越性将在复杂的多光子光学现象和器件建模中得到体现。
可编程超导处理器上的二元量子算法
使用量子三级系统或量子三元组作为基本单位来处理量子信息是当代基于量子比特的架构的替代方案，具有提供显著计算优势的潜力。我们利用两个 transmon 的第三能量本征态展示了一个完全可编程的二元组量子处理器。我们开发了一个参数耦合器，以在九维希尔伯特空间中实现出色的连接性，从而实现二元组门的高效实现。我们通过实现 Deutsch-Jozsa、Bernstein-Vazirani 和 Grover 搜索等几种算法来描述我们的处理器。我们的硬件高效协议使我们能够证明 Grover 放大的两个阶段可以提高具有量子优势的非结构化搜索的成功率。我们的研究结果为使用 transmon 作为通用量子计算机的构建块来构建完全可编程的三元量子处理器铺平了道路。
云端的量子计算硬件
图 1 (A) 来自参考文献 [23] 的同心 transmon 量子比特设计及其等效电路图（插图）。两个超导岛（绿色和蓝色）由一个小的约瑟夫森结桥（橙色）分流。使用共面波导谐振器（红色）读出量子比特状态。该读出谐振器电感耦合到信号线（黑色）。（B）transmon 量子比特的状态由约瑟夫森结的正弦电位（黑色实线）决定。在相位基（Δφ）中求解，特征能量（实线）可以用谐振子（虚线，相应颜色）来近似，其简并性通过结上的电容充电能量的一阶校正来消除[24 – 26]。（C）布洛赫球面图。基态 j 0 i 和第一个激发态 j 1 i 用于定义量子比特的逻辑状态 j ψ i ，它是 j 0 i 和 j 1 i 的线性组合，具有各自的复振幅 α 和 β 。j ψ i 可以通过电压脉冲和门控操作进行操纵，并通过投影到指定的测量基础上进行读出