三结磁通量子比特中粒子的热逃逸和量子隧穿

近些年来，随着量子通信和量子计算等领域的飞速发展，如何能在真实的物理体系中实现量子计算成为人们关注的焦点。固体量子器件由于其便于大规模集成及可扩展性，被人们认为是最有可能率先实现量子计算的方案之一，而其中最有潜力、发展最快的固体器件就是由约瑟夫森结构成的超导量子比特。超导量子比特采用了半导体集成工艺，以其无能耗，易规模化等优点而备受关注。本文重点研究的是超导量子比特中的热逃逸和量子隧穿现象。论文的内容主要包括以下几个部分：在第一章中，首先回顾了量子计算产生的历史背景和运算特点，以及量子计算机的工作原理和优越性。然后介绍了约瑟夫森效应以及与约瑟夫森结相关的物理知识。重点说明了目前应用比较广泛的三种超导量子比特，即超导位相量子比特，超导磁通量子比特、超导电荷量子比特，以及常见的几种耦合方式，简单给出了最近几年比较重要的理论和实验进展。在第二章中，首先详细介绍经典物理中粒子从势阱中热逃逸和量子隧穿的背景条件和理论知识。然后在此基础上给出了在约瑟夫森结中研究经典热逃逸和量子隧穿的优势，以及前人取得的成熟理论成果。给出了近几年来实验上研究约瑟夫森结中热逃逸和量子隧穿所取得的一些重要成果。在第三章中，在一定的参数条件下，利用数值模拟的方法详细系统的研究了三结磁通量子比特中的粒子热逃逸和量子隧穿过程。并在0.01K到4.2K温度范围内，首先计算出了三结磁通量子比特的热逃逸率和量子隧穿率，得出了交叉温度0.26K、瞬时生存时间随温度变化规律，以及跳变磁通随磁场和温度变化的分布曲线，并同两结超导干涉仪的分布规律进行了定量比较。结果显示，三结磁通量子比特中的热逃逸和量子隧穿都要比两结的明显，且交叉温度要低于两结，说明了三结磁通量子比特要表现出量子特性所需温度更低，以及三结磁通量子比特对磁通变化比两结更为敏感，且自身噪声要比两结的大。这些理论成果为人们以后利用三结磁通量子比特和延长其消相干时间都有重要的指导意义。