超导电荷量子比特在量子信息中的应用

乔盼盼 ，艾合买提·阿不力孜

(新疆师范大学 物理与电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054)

摘要：随着量子计算机以及量子算法的提出，人们开始寻找可以实现量子计算机的真实物理体系。超导量子电路以其丰富的可设计性和优良的易集成性成为最有潜力实现量子计算机的人造量子体系。本文介绍了超导量子比特的基本原理、超导电荷量子比特的耦合以及耗散和退相干问题，展望了超导电荷量子比特在量子计算和量子信息科学中的应用前景。 关键词：超导电荷量子比特 Josephson效应 量子信息

1、引言

量子计算机的提出给人们描绘一幅经典计算机不能比拟的美好画面。Shor量子算法的提出使得人们对于基于大数因子分解问题的难解性的现行公钥密码体系安全性提出了质疑。利用量子保密协议则实现绝对安全的保密通信成为人们关注的热点话题[1]。要实现量子计算和量子计算机以及量子通讯需要最基本的物理量子体系作为支持。适用的量子体系需要满足5个条件：可初始化，可调控，可耦合，可测量，以及长的相干时间[2]。

现在正在研究的量子计算体系有很多，主要的有：量子点系统、超导量子电路、离子阱系统、光学系统、核磁共振系统等。其中作为宏观量子体系的超导量子电路以其丰富的可设计性和优良的易集成性成为最有潜力实现量子计算机的人造量子体系。常见的超导量子比特按其宏观变量的不同可以分为超导电荷量子比特、超导磁通量子比特和超导位相量子比特。本文将重点介绍基于电荷自由度的超导电荷量子比特的基本原理，量子比特间的耦合以及耗散和退相干问题。在文章的最后对超导电荷量子比特在量子计算和量子信息科学中的应用前景进行了展望。

2、超导电性与超导电荷量子比特

早在上世纪八十年代初，2003年Nobel物理学奖得主Anthony.J.Leggett就提出了Josephson系统中的宏观量子相干。他指出，在Josephson结电路中可以观测到宏观量子相干现象。但与光子的双缝干涉或者是电子的隧道效应的区别在于Josephson结电路中的表现形式是大量电子集团运动的相干迭加。超导量子电路的关键部分是一类人造