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超导约瑟夫森结的原理,性质及在
量子计算机中的应用
查辰
S
zha8692@
December30,2017
摘要
摘 要
随着电子计算机的不断发展,CPU 的尺度在不断缩小,量子效应的影响变
得越来越明显,这将影响集成电路的进一步集成化,摩尔定律也终将失效。这
时,我们就需要寻找一种新型的高性能计算机,其中量子计算机以其强大的并行
计算能力,远超经典图灵机的计算速度,理论上不产生热量,而成为人们关注的
首要对象。
量子计算机中信息量的最小单位为quantum bit,简称qubit,中文名称为量
子比特。一个经典的比特可以存储0 或者1,而对于一个量子比特,它不仅可以
存储0 和 1。而且根据量子力学的叠加态原理,一个量子比特可以处于⟩ 态和
⟩ 态的叠加态,即可以同时存储0 和 1 对应的两个信息。随着比特数(N) 的增
加,其存储的信息指数( ) 增加。量子计算机的计算过程可以等效成一个演化
矩阵施加在初态上,同时对态中存储的信息进行高度并行计算,有着远超量子计
算机的计算能力[1] 。而且整个演化过程是可逆的,理论上是不会产热的,不会产
生困扰人的散热问题。
现在已经有了很多备选的实现量子计算的方案,包括磁共振、离子阱、光格
中的中性原子、固态量子点和超导量子线路。在这之中,超导量子计算以其良好
的可拓展性,在固态方案中较长的退相干时间,较强的相互耦合强度而成为最有
[2]
前景的方案之一 。
在超导量子计算方案中,构建量子计算的基本单元——量子比特(qubit), 就
是利用了超导约瑟夫森结的非线性电感和宏观量子效应,这样构成的量子比特
拥有不等间距的能级,以及宏观的可调控性,更有助于量子比特的制备与操控。
本文将主要介绍约瑟夫森结的的基本原理和性质,如何利用这些性质构造超导
量子干涉器件——SQUID,以及对SQUID 进行改进以构成可用的量子比特。
本文可以概括为以下几个方面:
1. 简要介绍约瑟夫森结的的基本原理和性质
2. 介绍超导量子干涉器件——SQUID
3. 介绍如何在SQUID 基础上构成量子比特。
关键词:超导约瑟夫森结 SQUID 超导量子比特
目 录
目 录
摘要
第一章 超导约瑟夫森结 2
1.1 库伯电子对的形成 2
1.2 约瑟夫森效应 3
第二章 超导量子干涉器件 5
2.1 宏观量子化 5
2.2 SQUID(超导量子干涉器件) 5
2.2.1、DC-SQUID 5
2.2.2、RF-SQUID 6
第三章 超导量子比特
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