42、可控耦合的约瑟夫森结量子比特：迈向实用量子计算的新途径

可控耦合的约瑟夫森结量子比特：迈向实用量子计算的新途径

1. 量子计算与约瑟夫森结量子比特概述

量子计算机若能实现，凭借不同物理原理，在执行某些任务时会比经典计算机高效得多。它由耦合的双态量子系统（即量子比特，qubits）构成，在计算过程中需对其相干时间演化进行控制。此前，人们已对囚禁离子、分子中的核磁共振以及量子光学系统等进行研究，以实现量子计算。不过，固态实现方式，尤其是纳米级电子设备更为实用，因其易于嵌入电子电路，且可扩展以提供有用计算所需的大量量子比特。

这里提出一种利用可控低电容约瑟夫森结的固态量子比特方案。该设计利用超导态下库珀对的相干隧穿，同时采用单电荷设备的控制机制，单比特和双比特操作可通过栅极电压控制。使用可调约瑟夫森耦合的优势在于简化操作并减少与永久耦合相关的误差。

2. 约瑟夫森结量子比特的两种设计

有两种约瑟夫森结量子比特设计，分别如下：
- 简单设计（图1a） ：由超导电子盒组成，即一个低电容岛通过约瑟夫森隧道结与引线相连。库仑相互作用（充电能量）限制岛上库珀对电荷的数量(n)（(Q = 2ne)，(e)为电子电荷）。若在简并点附近偏置，该系统构成一个量子比特，其两个状态相差一个库珀对电荷。可通过切换栅极电压执行量子逻辑操作。
- 改进设计（图1b） ：用直流超导量子干涉器件（SQUID）取代每个约瑟夫森结。SQUID通过外部磁通量(\Phi_x)偏置，该磁通量通过电感环耦合到系统中。若环的自感(L_{\Phi})较低，SQUID控制的量子比特由类似方程（2）形式的哈密顿量描述，但势能为(2E_{J}^{0} \cos(\pi\Phi