以超导量子比特为基本单元的超导量子电路,是一种固态宏观量子电路,其制备工艺与半导体相兼容,易于集成,具有可扩展性,是量子计算众多物理实现方案中非常有希望的一种。特别是近年来,超导量子比特的相干时间大幅提高,已超过100微秒,更有小组演示了9个量子比特的量子纠错算法,大大推动了以超导量子比特为基本单元的超导量子计算的发展。国内在超导量子计算方面还处于起步阶段,与国外具有较大差距。本文紧跟国际研究的热点,以制备工艺相对容易的三维传输子量子比特(3D transmon)为切入点,构建了实验测量系统,可用于测量基于电路量子电动力学(Circuit quantum electrodynamics)的超导量子比特。并以此测量系统为基础,开展了3D transmon的相关研究,主要研究成果包括如下几个方面：1.构建了能够测量基于电路量子电动力学的超导量子比特的实验测量系统。以牛津Triton400无液氦稀释制冷机为平台,搭建和改造了低温测量电路,构建了两条不同频段的微波测量线路,并通过加入两组微波开关,实现一次降温最多可测量12个样品,大大提高了测量效率。常温下,构建了包括脉冲控制、微波解调、高速采样、数据处理的计算机测量系统。2.设计、实现了：3D transmon和可调谐3D transmon,并测量了基本的量子特性。首先,设计并实现了3D transmon系统,包括矩形谐振腔设计加工和样品制备。然后,基于构建的测量系统,详细表征了3D transmon的量子特性,包括能谱、拉比振荡、能量弛豫时间、相位相干时间等。在原有3D transmon基础上,设计、实现了跃迁频率可调谐的3D transmon量子比特,详细表征了能谱、真空拉比分裂,并实现了两量子比特之间的耦合,观察到了耦合引起的免交叉、相干振荡等现象。3.在3D transmon中实现了Landau-Zener-Stuckelberg-Majorana干涉。通过微波修饰态,在3D transmon系统中构建了免交叉,然后,通过线性调频的方法,快速改变微波驱动场的频率,使得系统来回两次扫过免交叉,成功观察到了Landau-Zener-Stiickelberg-Majorana干涉现象,实验结果与理论仿真吻合得很好。这种方法能够将系统的初态制备在任意状态上,包括系统的本征态,即免交叉的中心,为研究Landau-Zener-Stuckelberg-Majorana干涉现象提供了更为有效的手段。4.演示了基于超导纳米线的光可调共面波导谐振器。在半波长超导共面波导谐振器中心嵌入超导纳米线,观察到了由于光响应引起的谐振峰变化,初步探讨了光可调谐超导微波谐振器,为实现光量子和超导量子电路之间的耦合提供了一些参考。