41、小约瑟夫森结的量子操控

小约瑟夫森结的量子操控

1. 量子计算概述

量子计算近年来备受关注，量子算法在某些类型的计算上比经典计算机快得多。量子计算的基本概念包括对量子比特（qubit）和量子寄存器（qubit 阵列）进行量子操作（门）。一个量子比特可以是一个双能级系统，能被制备成其两个本征态（通常表示为 |0⟩ 和 |1⟩）的任意叠加态。量子计算需要“量子态工程”，即对这些量子态进行可控的制备和操控。对于量子寄存器，还需要构建“纠缠”的多量子比特态，这就需要不同量子比特之间的耦合。一个严重的限制是相位相干时间必须足够长，以允许进行相干的量子操控。目前已经提出了几种物理系统作为量子比特，其中最先进的似乎是囚禁离子链。

2. 低电容约瑟夫森结系统

本文提出了一种由低电容约瑟夫森结组成的替代系统。库珀对的相干隧穿会混合不同的电荷态，通过控制栅极电压可以控制这种混合的强度。该系统中库珀对相干隧穿的物理机制之前已经得到确立。

2.1 理想单比特系统

理想的单比特系统如图 1(a) 所示（R = 0 且 L = 0），它由两个通过隧道结连接的小超导晶粒组成，隧道结的电容为 Cj，约瑟夫森耦合能为 Ej。一个理想电压源通过两个外部电容 C 连接到系统。假设 A 是问题中的最大能量，在低温下，准粒子隧穿被抑制。从奇偶效应的研究可知，在交叉温度 T 以下，超导态要么是完全配对的（当电子数为偶数时），要么恰好有一个准粒子（当电子数为奇数时），交叉温度 T = A/lnNeff，其中 Neff 是系统中靠近费米能级的电子数，对于铝，典型值在 100 - 200 mK 范围内。要求两个晶粒中的电子总数为偶数，这一条件自然满足 50% 的量子比特。