[论文解读] A Superconducting Persistent Current Qubit

Terry P. Orlando, Mooji, J. E.+5 more|Data Archiving and Networked Services (DANS)|Aug 19, 1999

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 8

一句话总结

本文提出一种基于三结超导环中持久电流态的超导量子比特，其中两个量子比特态对应顺时针和逆时针电流循环。该量子比特通过磁通量控制和读出，对电荷噪声具有鲁棒性，并与基于SQUID的探测兼容，标志着向可扩展的磁通量基超导量子计算迈出关键一步。

ABSTRACT

We present the design of a superconducting qubit that has circulating currents of opposite sign as its two states. The circuit consists of three nano-scale aluminum Josephson junctions connected in a superconducting loop and controlled by magnetic fields. The advantages of this qubit are that it can be made insensitive to background charges in the substrate, the flux in the two states can be detected with a SQUID, and the states can be manipulated with magnetic fields. Coupled systems of qubits are also discussed as well as sources of decoherence.

研究动机与目标

• 通过使用持久电流态而非电荷态，开发一种对电荷退相干具有鲁棒性的超导量子比特。
• 利用外加磁场实现对量子比特态的相干操控和测量。
• 基于超导环中的磁通量态，设计可扩展的耦合量子比特架构。
• 分析退相干源并提出实际应用中的缓解策略。

提出的方法

• 设计一个由三个铝基约瑟夫森结组成的超导环，构成持久电流量子比特。
• 利用穿过环的磁通量调控量子比特态，通过改变顺时针与逆时针电流态之间的能级分裂。
• 采用SQUID（超导量子干涉器件）检测与每个电流态相关的磁通量。
• 利用系统的磁通量可调特性，通过外部磁脉冲实现单量子比特操作。
• 使用磁通量量子比特的哈密顿量对量子比特行为进行建模，包含约瑟夫森耦合和自感。
• 分析电路中的退相干机制，如磁通噪声、准粒子隧穿和热涨落。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于持久电流态的超导量子比特能否通过避免对电荷噪声的敏感性，实现长相干时间？
• RQ2 如何利用磁场对两种磁通态（顺时针与逆时针电流）实现相干操控与测量？
• RQ3 此类磁通量子比特网络在量子计算中的可扩展潜力如何？
• RQ4 该设计中的主要退相干通道是什么，如何将其最小化？
• RQ5 能否通过SQUID以高保真度可靠读出磁通态？

主要发现

• 由于采用磁通量编码，持久电流量子比特对电荷噪声表现出强免疫性，与电荷量子比特相比，相干时间显著提升。
• 通过外部磁通量可调谐两种磁通态之间的能级分裂，从而实现对量子比特态的相干控制。
• 利用SQUID可高灵敏度检测每种状态的磁通量，从而实现对量子比特态的投影测量。
• 理论建模表明，在共振磁脉冲作用下出现拉比振荡，证明系统支持电流态的相干叠加。
• 退相干主要由磁通噪声和准粒子隧穿主导，模型估算的退相干时间在微秒量级。
• 可通过互感实现耦合量子比特阵列的两量子比特纠缠门，从而支持可扩展的量子计算。