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高保真超导量子处理器通过...
摘要 - 在维持高质量量子门的同时缩小量子数的数量仍然是量子计算的关键挑战。目前，积极可用以> 50 Qubits的超导量子处理器。对于此类系统，固定频率传输由于其长度连贯性和噪声免疫而具有吸引力。但是，由于精确的相对频率要求，缩放固定的频率档案证明了具有挑战性。在这里，我们采用激光退火来选择性地将Transmon Qubits调整为所需的频率模式。数百个退火量子的统计数据表明，经验调整精度为18.5 MHz，没有对量子相干性的可测量影响。我们在调谐的65克处理器上量化了门错误统计，中位两分之一的门限制为98.7％。基线调整统计量产生的频率等效性精度为4.7 MHz，高收益缩放量超过10 3个Qubit水平。向前迈进，我们预计选择性激光退火将在扩展固定频率体系结构中发挥核心作用。
超导量子器件上的高保真软件定义量子逻辑
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相干的超导量子矩形量子量
Josephson隧道连接是几乎所有超导电子电路（包括Qubits）的核心。典型地，使用阴影蒸发技术制造了量子位的连接处，以减少超导纤维界面的介电损耗贡献。近年来，亚微米量表重叠连接开始引起人们的注意。与阴影蒙版技术相比，不需要角度依赖性沉积，也不需要独立的桥梁或重叠，这对于晶圆尺度处理而言是显着的局限性。这是以在制造过程中打破真空的成本，但简化了在多层电路中的集成，实现截然不同的连接尺寸，并可以在工业标准的过程中更大规模地制造。在这项工作中，我们证明了减法过程用于制造重叠连接的可行性。在一系列测试接触中，我们发现6个月内平均正常状态阻力的低老化仅为1.6％。我们通过将它们用于超导式的transmon量子位来评估连贯性。在时间域实验中，我们发现，最好的设备的量子寿命和相干时间平均大于20µs。最后，我们讨论了我们技术的潜在改进。这项工作铺平了迈向更标准化的过程，并具有材料和生长过程，这是大规模制造超导量子电路的重要步骤。
直接测量超导纳米线单光子检测器的恢复时间
单光子检测器的关键特性之一是它们的恢复时间，即检测器恢复其标称效率所需的时间。在超导纳米线单光子探测器（SNSPDS）的情况下，可以在自由运行模式下以极短的恢复时间为特征，这对于许多量子光学或量子通信实验至关重要。我们引入了一种快速而简单的方法，以精确表征SNSPD的恢复时间。它提供了有关连续检测的时间恢复效率的完整信息。我们还展示了如何使用该方法来洞悉检测后纳米线内部偏置电流的行为，从而可以预测检测器的行为及其在使用这些检测器的任何实际实验中的行为及其效率。
超导电路的量子声学
过去 20 年，电路量子电动力学发展迅速，超导量子比特和谐振器用于从根本上控制和研究量子光与物质的相互作用。该领域的发展受到量子信息科学和实现量子计算的前景的强烈影响，但也为不同物理系统和研究领域的结合提供了机会。微波领域的超导电路由于具有强大的非线性和零点涨落，以及设计和制造的灵活性，为与其他量子系统接口提供了一个多功能平台。基于电路量子电动力学的混合量子系统可以通过利用各个组件的优势来实现新功能。本论文涵盖了将超导电路与表面声波 (SAW)（沿固体表面传播的机械波）耦合的实验。可以利用 GaAs 基板的压电特性来实现强耦合，我们的实验利用这一点来研究量子场与物质相互作用的现象。表面声波的一个关键特性是传播速度慢，通常比真空中的光慢五个数量级，并且波长短。这使得在巨型原子领域中，超导电路形式的人造原子比相互作用的 SAW 辐射的波长大，这种情况在其他系统中很难实现。本论文中描述的实验利用这些特性来展示机械模式的电磁感应透明性，以及人造巨原子与 SAW 场之间的非马尔可夫相互作用。当 SAW 场被限制在谐振腔中时，短波长允许多模光谱适合与频率梳相互作用。我们使用多模 SAW 谐振器通过双音光谱方法表征微观两级系统缺陷的集合。最后，我们介绍了一种混合超导-SAW 谐振器，并考虑了其在量子信息处理中的应用。使用该设备进行的实验证明了 SAW 模式的纠缠，并在设计用于连续变量量子计算的簇状态的道路上显示出有希望的结果。
具有超导人造巨原子的波导量子电动力学
量子电动力学中光与物质相互作用的模型通常采用偶极近似 1,2，其中与原子相互作用的电磁模式的波长相比，原子被视为点状物体。然而，当原子尺寸与模式波长之比增加时，偶极近似不再成立，原子被称为“巨原子” 2,3 。到目前为止，巨原子领域固态器件的实验研究仅限于耦合到短波长表面声波的超导量子比特 4–10 ，只探测单一频率下的原子特性。在这里，我们使用一种替代架构，通过将小原子在多个但分隔良好的离散位置耦合到波导来实现巨原子。该系统能够实现可调原子-波导耦合，具有较大的开关比 3 ，并且耦合谱可通过器件设计进行工程设计。我们还展示了多个巨型原子之间的无退相干相互作用，这些相互作用由波导中的准连续模式谱介导，这是使用小原子无法实现的效应 11 。这些特性允许此架构中的量子比特在原位在受保护和发射配置之间切换，同时保留量子比特-量子比特相互作用，为高保真量子模拟和非经典巡回光子生成开辟了可能性 12,13 。
具有超导人造巨原子的波导量子电动力学
光与物质相互作用的模型通常采用偶极子近似 [1,2]，在该近似中，原子与与之相互作用的电磁模式的波长相比，被视为点状物体。然而，当原子尺寸与模式波长之比增加时，偶极子近似不再成立，原子被称为“巨原子” [2,3]。到目前为止，对巨原子领域固态器件的实验研究仅限于与短波长表面声波耦合的超导量子比特 [4-10]，仅探测单一频率下的原子特性。在这里，我们采用了一种替代架构，通过将小原子与多个但相隔良好、离散的位置的波导耦合来实现巨原子。我们对巨原子的实现使得可调的原子-波导耦合成为可能，该耦合具有大的导通比，并且可以通过器件设计来控制耦合谱 [3]。我们还展示了多个巨原子之间的无退相干相互作用，这种相互作用由波导中模式的准连续谱介导，这是小原子无法实现的效应 [11]。这些特性使该架构中的量子比特能够在保护配置和发射配置之间原位切换，同时保留量子比特之间的相互作用，为高保真量子模拟和非经典巡回光子生成开辟了新的可能性 [12, 13]。原子直接耦合到波导的器件可以通过波导量子电动力学 (wQED) 很好地描述。超导电路为实现和探索 wQED 物理提供了一个理想的平台，因为它可以实现
单层 WTe2 量子自旋霍尔边缘态的近距诱导超导间隙
量子自旋霍尔绝缘体的特征在于二维 (2D) 内部的带隙和螺旋状一维边缘态 1 – 3。在螺旋边缘态中诱导超导可产生一维拓扑超导体，拓扑超导体是许多拓扑量子计算提案的核心，是一种备受追捧的物质状态 4。在本研究中，我们通过将单层 1T ′ -WTe 2（量子自旋霍尔绝缘体 1 – 3）放置在范德华超导体 NbSe 2 上，报告了范德华异质结构中超导性和量子自旋霍尔边缘态的共存。使用扫描隧道显微镜和光谱 (STM/STS)，我们证明 WTe 2 单层由于底层超导体而表现出邻近诱导的超导间隙，并且量子自旋霍尔边缘态的光谱特征保持不变。综上所述，这些观察为 WTe 2 中量子自旋霍尔边缘态的邻近诱导超导提供了确凿证据，这是在这种范德华材料平台上实现一维拓扑超导和马约拉纳束缚态的关键一步。当代人们对拓扑超导体的兴趣是由其无间隙边界激发的潜在应用驱动的，这些激发被认为是具有非阿贝尔统计特性的突发马约拉纳准粒子 5 – 8 。实现拓扑超导的一条途径是实现本征无自旋 p 波超导体 9 。一个强有力的替代方法是使用传统的 s 波超导体通过超导邻近效应在拓扑非平凡状态下诱导库珀配对，从而产生有效的 p 波配对 10 。这种方法最近已被用于在超导衬底上生长的外延三维拓扑绝缘体膜中设计二维（2D）拓扑超导11，12，和通过在埋置外延半导体量子阱中接近二维量子自旋霍尔系统设计一维拓扑超导13，14。虽然这些演示标志着重要的里程碑，但在范德华材料平台上探索拓扑超导具有明显的优势。使用分层二维材料可以使二维量子自旋霍尔边缘在垂直异质结构中接近，从而绕过横向接近效应几何的长度限制。此外，表面和边缘易于进行表面探针探测，从而可以检测和基础研究一维拓扑超导态的特征。本征量子自旋霍尔态已在 1T ′ -WTe 2 单层中得到实验证明（参考文献 1 - 3、15 - 17），这与早期的理论预测 18 一致。
利用可调低损耗超导电路进行量子信息处理
最有前途的量子信息处理平台可能是基于代表量子位的超导电路的电路 QED 架构。这些电路必须以低损耗制造，以便尽可能长时间地保留量子信息。我们开发了制造工艺，实现了超过 100 µ s 的最先进相干时间。通过研究量子比特弛豫时间的波动，我们发现损耗的主要来源是寄生两级系统。利用我们的高相干电路，我们实现了基于固定频率量子位和频率可调耦合器的量子处理器。可调耦合器是集总元件 LC 谐振器，其中电感来自超导量子干涉装置 (SQUID)。通过对耦合器频率进行参数调制，我们实现了保真度为 99% 的受控相位门。利用该设备以及另一个类似的设备，我们演示了两种不同的量子算法，即量子近似优化算法和密度矩阵指数。在我们精心校准的门的帮助下，我们实现了高算法保真度。此外，我们还研究了使用频率可调谐振器的参数振荡。此前，已通过调制两倍的谐振频率证明了退化参数振荡。我们利用这一现象实现了保真度为 98.7% 的超导量子比特的读出方法。我们通过调制多模谐振器的两个谐振频率之和证明了非退化参数振荡中的相关辐射。我们展示了振荡的经典特性与理论模型之间的出色定量一致性。此外，我们还研究了高达其谐振频率五倍的高阶调制。这些类型的参数振荡状态可用作连续变量量子计算的量子资源。
超导铁硒化物的结构演化和相图 ${\rm{L}}{{\rm{i}}_x}{( {{{\rm{C}}_{\rm{2}}}{{\rm{H}}_{\rm{8}}}{{\rm{N}}_2}} )_y}{\rm{F}}{{\rm{e}}_2}{\rm{S}}{{\rm{e}}_2}( {x = 0\sim 0.8} )$
这里我们报道了在很宽的掺杂浓度范围（x = 0 ∼ 0 . 8）下锂和乙二胺插层的 FeSe 的结构和电子相图。未掺杂的 (C 2 H 8 N 2 ) y Fe 2 Se 2 结晶为正交相。随着锂掺杂的增加，在 x = 0 . 35 处发生正交到四方相变，并且超导四方相一直持续到 x = 0 . 5。同时，发现 T c 强烈依赖于掺杂剂浓度，从 x = 0 . 35 时的 30 K 迅速上升到 x = 0 . 5 时的 45 K。Li 0 . 31(3) (C 2 H 8 N 2 ) 0 . 52(7) Fe 2 的晶体结构。利用高分辨率中子衍射数据分别在 5、60、150 和 295 K 下测定了 FeSe 四面体的形变。在 150 到 295 K 之间，FeSe 四面体的畸变显著增强，同时，在同一温度范围内正常态霍尔电阻率由负转正。在 230 K 以上，电子掺杂的 Li 0.5(C 2 H 8 N 2 ) y Fe 2 Se 2 中以空穴载流子为主，这表明温度引起的结构畸变可能导致费米面拓扑结构的重构和空穴袋的出现。