【摘要】：隨著對計算速度和存儲容量越來越高的要求,經(jīng)典計算機終將不能滿足人們的需求,量子計算機必然會成為時代發(fā)展的產(chǎn)物。超導(dǎo)量子比特被大量的實驗證實是實現(xiàn)量子計算的最佳方案,而具有低損耗、高Q值等優(yōu)勢的超導(dǎo)共面波導(dǎo)諧振器(SCPWR)可以對量子比特的狀態(tài)進行測量,且可以作為一種媒介來實現(xiàn)多個量子比特之間的耦合。同時,為了實現(xiàn)對超導(dǎo)量子比特耦合的靈活控制,研制諧振頻率原位可調(diào)節(jié)的諧振器顯得尤為迫切。本文介紹的可調(diào)半波長開路SCPWR,是通過在諧振器的中心導(dǎo)體內(nèi)嵌入dc-SQUID來實現(xiàn)頻率可調(diào)的。文章從可調(diào)SCPWR的研究背景、相關(guān)基本理論、設(shè)計思路、制備過程和實驗測量結(jié)果與理論分析幾個方面進行了具體闡述：第一章由量子計算引出超導(dǎo)量子比特,介紹了與超導(dǎo)電路密切關(guān)聯(lián)的約瑟夫森結(jié)的性質(zhì)與RSJ模型,以及超導(dǎo)量子干涉儀上的電流隨外加磁通的調(diào)制關(guān)系。然后,介紹了超導(dǎo)諧振腔的相關(guān)研究背景和發(fā)展歷程,并介紹了超導(dǎo)共面波導(dǎo)諧振器的應(yīng)用及它的基本結(jié)構(gòu)。接著介紹了本文的研究對象---可調(diào)SCPWR,簡述了三種國內(nèi)外研究者實現(xiàn)頻率可調(diào)的方案。第二章介紹了共面波導(dǎo)(CPW)的結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)的計算方法。由于本文介紹的半波長開路諧振器,在諧振時表現(xiàn)為并聯(lián)諧振電路的特性,所以緊接著介紹了并聯(lián)諧振電路和半波長開路傳輸線的基本特性。隨后介紹了諧振器的電容耦合、阻抗匹配和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本原理,這些都是諧振器的設(shè)計和測量過程中需要注意的事項。第三章介紹了通過HFSS和ADS兩種軟件,設(shè)計和仿真驗證諧振器。詳述了深紫外曝光和電子束蒸發(fā)相結(jié)合的微加工工藝制備諧振器的步驟。介紹了提供極低溫環(huán)境的Triton 400稀釋制冷機的工作原理以及在制冷機上測量諧振器的線路圖。第四章介紹了無dc-SQUID的諧振器和約瑟夫森結(jié)I._V特性的測量結(jié)果,驗證了其性能良好。在此基礎(chǔ)上,用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量了嵌入一個或者三個dc-SQUID的可調(diào)SCPWR的諧振頻率隨外加磁通變化關(guān)系曲線,并進行理論分析,實驗結(jié)果和理論值吻合較好。進一步得到了諧振器Q值與外加磁通的關(guān)系,并進行了相關(guān)理論分析。
[Abstract]:With the increasing requirements for computing speed and storage capacity, classical computers will not be able to meet the needs of people, quantum computers will inevitably become the product of the development of the times. Superconducting qubit has been proved by a large number of experiments to be the best scheme for quantum computing, and superconducting coplanar waveguide resonator (SCPWR), which has the advantages of low loss and high Q value, can measure the state of qubit. And it can be used as a medium to realize the coupling between multiple qubits. At the same time, in order to realize the flexible control of superconducting quantum bit coupling, it is particularly urgent to develop a resonator with adjustable resonance frequency in situ. The adjustable half-wavelength open-circuit SCPWR, introduced in this paper is frequency adjustable by embedding dc-SQUID into the central conductor of the resonator. In this paper, the research background, related basic theories, design ideas, preparation process, experimental measurement results and theoretical analysis of adjustable SCPWR are described in detail: in the first chapter, superconducting qubits are derived from quantum computing. The properties of Josephson junction, which is closely related to superconducting circuits, and the RSJ model, as well as the modulation relationship between the current on superconducting quantum interferometers and the applied flux, are introduced. Then, the research background and development of superconducting resonator are introduced, and the application and basic structure of superconducting coplanar waveguide resonator are introduced. Then it introduces the adjustable SCPWR, which is the research object of this paper, and briefly describes three schemes for domestic and foreign researchers to realize adjustable frequency. In chapter 2, the structure and calculation method of basic parameters of coplanar waveguide (CPW) are introduced. Because the half-wavelength open-circuit resonator introduced in this paper shows the characteristics of parallel resonant circuit in resonance, then the basic characteristics of parallel resonant circuit and half-wavelength open-circuit transmission line are introduced. Then the basic principles of capacitance coupling, impedance matching and vector network analyzer of resonator are introduced, which are the matters needing attention in the design and measurement of resonator. In the third chapter, the design and simulation of resonator are introduced by HFSS and ADS. The steps of fabricating resonator by micro-machining process of deep ultraviolet exposure and electron beam evaporation are described in detail. This paper introduces the working principle of Triton 400 dilution refrigerator which provides very low temperature environment and the circuit diagram of measuring resonator on the refrigerator. In chapter 4, the measurement results of I. V characteristics of dc-SQUID-free resonator and Josephson junction are introduced, and the results show that the performance of the resonator and Josephson junction is good. On this basis, the relationship between the resonant frequency of adjustable SCPWR embedded with one or three dc-SQUID and the applied flux is measured by vector network analyzer, and the theoretical analysis is carried out. The experimental results are in good agreement with the theoretical values. The relationship between the Q value of the resonator and the external flux is obtained, and the related theoretical analysis is carried out.
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN751.2;O413

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本文編號：2496382