基于超导量子比特的数字量子模拟

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超导量子体系作为目前最有前景实现通用量子计算机的体系之一,一直都是国内外研究者重点关注的热门领域。总的来说该领域主流研究方向目前有两种,一种集中于硬件研究,通过拓展芯片上集成比特数目,提高比特质量,以及提升操控精度从而推动早日实现可纠错的通用量子计算。另一种则聚焦于量子计算机的应用,通过各种量子算法、量子模拟等实验来证明量子计算机相比经典计算机算力的指数增长优势,从而说明其广阔的应用前景。本人自研究生入学以来,不断学习超导量子计算的基础理论以及实验技术,并在此基础上设计并完成了量子模拟相关的实验。第一章绪论部分主要介绍量子计算的相关基本知识。包括量子比特的概念,量子比特的操控、测量,以及退相干。然后介绍了物理上实现量子计算需要满足的几条要求。另外还介绍了两类量子模拟的手段——类比量子模拟及数字量子模拟。第二章开始重点着眼于超导量子计算体系。我从LC振荡电路出发,介绍其量子化过程,然后引入非线性元件——约瑟夫森结来得到非线性能级,从而得到两能级的量子比特。然后我们介绍了如何对比特进行操控、耦合以及读取。最后介绍了目前工程上实现超导量子比特芯片的两种架构方式。第三章以我们实验室使用的一种Transmon型超导量子比特——Xmon为例,介绍如何对超导量子比特的基本参数进行测量标定。包括谐振腔参数,量子比特频率,读取参数,退相干时间以及两比特耦合强度等。第四章主要介绍了我们实验室设计的一种基于数字绝热捷径和连续数字绝热演化的量子本征值求解器。我们用这种本征值求解器在实验上精确高效地得到了氢分子模型在核间距0.05 (?)≤R≤1.85 (?)范围内的势能曲线。并与变分量子本征值求解器进行了比较,分析了两种方法的各自的长处。第五章对本论文进行了总结,并展望了量子计算光明的未来。
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