超导量子电路和量子比特具有耗散小、易调控、器件设计灵活、易规模化等突出优点,目前是实现固态量子计算的有力竞争者,同时也是量子力学、原子物理、量子光学和量子模拟的一个很好的研究平台。本论文对超导位相量子比特、超导多能级与谐振腔耦合系统、以及nSQUID新型超导量子比特开展了系统深入的研究,研究内容和研究成果主要包括下述几个方面:(1)超导量子比特的设计与制备。采用微纳加工的实验工艺和多层膜技术,首先在清洗干净的Si基片上用磁控溅射的方法生长出高质量的铌膜,作为超导量子比特的引线电路与谐振腔电路,然后采用电子束蒸发与化学气相沉积等方法,制备超导量子比特的电感线圈与电容,最后采用双角度电子束蒸发的方法制备高质量的Al/AlO_x/Al约瑟夫森结。约瑟夫森结的制备是是样品制备的核心,我们制备的结区的面积范围为0.2-0.5μm~2,电流密度的范围为800-2000mA/μm~2。采用这样的工艺技术,我们成功制备了超导位相量子比特和谐振腔耦合器件,以及nSQUID超导量子比特器件。(2)超导多能级和谐振腔耦合系统的研究。超导量子器件一般为多能级系统(最低的两个能级构成量子比特),我们以位相型器件和谐振腔的耦合系统为基础,首次从实验和理论上研究了超导四能级与谐振腔耦合系统的性质。实验上通过单光子和多光子过程确定了耦合系统的能谱,理论上建立了描述这一耦合系统的相互作用的哈密顿量,以及考虑各种弛豫和消相过程的Lindblad主方程,理论很好地描述了实验测量到的能谱和各能级布居数等重要的物理参数。这一研究结果对含有多能级因素影响的各种物理现象的理解提供了很好的物理基础。(3)nSQUID新型超导量子比特的研究。nSQUID型超导量子比特是具有负互感的双圈双结SQUID,在量子信息的传输速度方面有一定的优势。我们在成功制备nSQUID量子比特的基础上,确定了量子比特二维势的基本特性和系统的能谱,并首次观测到了器件的Rabi振荡、能量弛豫、Ramsey干涉等量子相干特性,这些结果为相关器件的进一步应用打下了基础。(4)超导位相量子比特和nSQUID型量子比特分别为一维和二维势系统,势的形状和能级间距均可通过磁通偏置进行调控,这为诸多物理现象提供了一个很好的研究手段。例如,采用位相量子比特可以研究宇称和时间反演的对称性破缺问题,采用nSQUID型量子比特可以研究二维势阱中的宏观量子隧穿问题。我们亦对这两方面的问题开展了实验研究。