42、基于可控耦合的约瑟夫森结量子比特

基于可控耦合的约瑟夫森结量子比特

1. 量子计算机与约瑟夫森结量子比特简介

量子计算机若能实现，利用不同物理原理，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）组成，在计算过程中需控制其相干时间演化。此前，人们对囚禁离子、分子中的核磁共振以及量子光学系统等进行了研究以实现量子计算，但固态实现方式，尤其是纳米级电子设备，会更具实用性，因其易于嵌入电子电路，且能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由栅极电压控制。使用可调约瑟夫森耦合的优点包括简化操作和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

2.1 简单设计

简单设计由超导电子盒构成，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）限制了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。通过切换栅极电压可执行量子逻辑操作。

2.2 改进设计

改进设计中，每个约瑟夫森结被直流超导量子干涉器件（SQUID）取代。SQUID 由外部磁通 (\Phi_x) 偏置，通过电感环路耦合到系统中。若环路自感 (L_{\Phi}) 较低，SQUID 控制的量子比特由类似简单设计的哈密顿量描述，但势能为 (2E_{J}^{0} \cos(\pi\Phi_{x}/\Phi_{0}) \cos \gamma)。因此，有效约瑟夫森耦合可通过外部磁通 (\Ph