基于超导电路系统的量子模拟和基础量子物理研究

【摘要】量子力学,作为描述微观世界的基础理论,不单让我们更好的理解世界的本质,更是现代科技的理论支撑。因此,对量子力学中基本问题的研究以及对具体物理系统量子特性的研究显得尤为重要。很多复杂的物理系统都难以操控,研究起来很困难,基于此,人们提出了量子模拟的概念。量子模拟最早由Feynman提出,指通过构建一个可控的物理系统模拟被研究系统。超导电路作为量子器件,其参数调节范围很广,同时具有可集成性的优点,这使得它成为了研究量子物理的重要平台之一。利用超导电路构建量子模拟器和量子计算机是超导系统研究的主要方向。目前已经在实验上实现了对单个量子比特(二能级系统)的操控,双量子比特的耦合以及电路量子电动力学的超强耦合等。本文主要研究了超导电路系统在量子模拟和基本量子力学问题研究中的应用,主要包括：1.介绍了超导电路的一些基本原理和基本元件并给出相应的理论推导,例如,约瑟夫森效应,电荷量子比特Hamiltonian,量子比特之间的耦合,超导传输线腔的量子化和相应的Hamiltonian,以及传输线腔和量子比特的耦合如何用来实现量子光学中的基本模型。其次我们还介绍了量子模拟的基本概念,基本类型,和各种应用平台,并实例介绍了超导电路用作量子模拟。动力学Casimir效应,作为量子物理中的一个基本问题,第一章最后将给出详细介绍,同时还会给出超导电路在研究Casimir效应中的进展。2.我们研究了非局域Ising自旋链与超导传输线腔耦合系统的量子相变。这样一个复杂的模型,通常很难在自然的物理系统中实现。但可以通过一系列人造的超导量子比特来模拟,并展示有趣的行为。我们把一个超导传输线腔通过电容耦合一系列电荷量子比特,由于腔模的空间振荡,该电容耦合的强度随量子比特的位置而变化。量子比特之间通过一个耦合器使最近邻的量子比特有一个可调节的Ising相互作用,耦合器可以用一个额外的约瑟夫森节器件实现。我们证明当量子比特和腔场的耦合足够强时,会有超辐射量子相变发生。对于均匀的Ising相互作用,腔中的不同模式会同时发生超辐射相变。通过对Ising相互作用引入空间调制,我们可以选出一个特定的场模式发生量子相变。同时,我们发现Ising相互作用强度的改变还会改变量子相变的性质,随着Ising相互作用的增强,系统相变从二阶相变过渡成一阶相变。我们还研究了不同的参数区间自旋链的关联性质,给出了系统详细的关联相图。3.我们研究了超导电路系统的耗散对动力学Casimir效应的影响。我们的系统包含一个超导传输线腔和一个与超导腔中间点直接相连的SQUID。通过在SQUID的电路回路中外加一个随时间振荡的磁通,可以在传输线腔的中间点产生一个随时间变化的边界条件。选择合适的磁通振荡频率,可以在腔中从真空产生光子。我们利用瞬时模式函数展开腔场算符,并引入系统瞬时的产生,湮灭算符,得到量子化的系统Hamiltoniano我们分析并计算了传输线腔的表面阻抗和SQUID的分流电阻在系统中引入的耗散大小。通过计算腔中光场强度和光场压缩,我们发现当耗散足够小时,系统光子数随时间指数增长,光场压缩度很高；而耗散很大时,光子数几乎保持在零,光场的压缩也会减弱。
【作者】张玉娜；
【导师】周幸祥；郭光灿；
【作者基本信息】中国科学技术大学，光学，2014，博士
【关键词】超导电路；超导量子比特；超导传输线腔；量子模拟；动力学Casimir效应；

【参考文献】
[1]宋萌萌.车牌字符识别系统的研究与实现[D].华中科技大学,控制工程,2013,硕士.
[2]马碧春.浅谈医院客户关系管理[J].中国医院管理,2005,08:37-38.
[3]蒋会平.市场机制背景下基础教育阶段国有学校改制的思考及对策[D].湖南师范大学,教育,2004,硕士.
[4]王绘凝.InGaN/GaN多量子阱的结构及其光学特性的研究[D].山东大学,微电子学与固体电子学,2014,博士.
[5]魏国锋,方世强,张秉坚.石灰种类对传统糯米灰浆性能的影响[J].建筑材料学报.
[6]张雪苹.非共价键修饰石墨烯负载Pt的制备及性能研究[D].天津大学,应用化学,2013,硕士.
[7]吴祎.电力电子电路故障特征参数提取与健康预报研究[D].南京航空航天大学,测试计量技术及仪器,2013,硕士.
[8]罗磊.微博舆情热点检测与跟踪方法研究[D].杭州电子科技大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[9]王健,张琦,乔忠云.工程机械管理信息系统的开发与科学管理[J].筑路机械与施工机械化,2004,10:53-56.
[10]王艳乔.多发性硬化患者甲状腺功能的临床研究[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[11]胡小龙.唐代寺院题材诗研究[D].温州大学,中国古代文学,2012,硕士.
[12]雍振.抗战时期战国策派的国民性改造思想研究[D].安徽大学,中国近现代史,2014,硕士.
[13]辛利锋.板材成形加工模拟分析及模具设计[D].吉林大学,材料工程,2014,硕士.
[14]艾厚文.基于随机Petri网的铁路应急预案流程化研究[D].北京交通大学,2008.
[15]常晓楠.农业转型时期河南省现代农户发展问题研究[D].华中师范大学,农村与区域发展,2014,硕士.
[16]王俊.腹腔镜与开放肾部分切除术的对比研究[D].山东大学,临床医学（专业学位）,2013,硕士.
[17]周杨.“无意识”在绘画创作中的循变[D].东北师范大学,美术学,2012,硕士.
[18]吴开波.干旱区绿洲节水灌溉合作经济组织模式研究[D].新疆农业大学,产业经济学,2012,硕士.
[19]隋荣亮,段云卿,于富文.油田开发区二次三维地震采集效果分析[J].石油地球物理勘探,2005,06:617-621+731+15.
[20]李爽.试论思想政治课中高中生的竞争观教育[D].首都师范大学,思政,2014,硕士.
[21]姜耀俭,范慎荣.关于石油管道企业HSE管理体系、环境管理体系和职业安全健康管理体系的整合探讨和建议[J].中国安全科学学报.2002(04)
[22]王捷.中国移动3G品牌忠诚影响因素研究[D].山东大学,企业管理,2013,硕士.
[23]王芳.人教版初中语文小说教与学策略研究[D].内蒙古师范大学,学科教学（专业学位）,2012,硕士.
[24]蔡剑锋.聚-ADP-核糖基化在六价铬致人支气管上皮细胞损伤中的作用[D].广西医科大学,劳动卫生与环境卫生学,2013,硕士.
[25]李琳玲.高中化学新手型教师与经验型教师关于问题情境创设与实施的对比研究[D].华中师范大学,学科教学,2013,硕士.
[26]程惠芳,梁越.贸易政策变动与异质性企业生产率——基于我国制造业企业数据的实证研究[J].国际贸易问题,2014,07:3-12.
[27]熊维.双目PMP视觉测量系统的设计与实现[D].华中科技大学,机械电子工程,2013,硕士.
[28]孙铭.基于精益运营模式的T港口装卸成本管理研究[D].天津大学,项目管理,2013,硕士.
[29]冯汐.中国恢复利率期货的经济与金融环境研究[D].首都经济贸易大学,国民经济学,2013,硕士.
[30]邵长伟.电传动推土机双侧驱动控制策略与仿真研究[D].吉林大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[31]王琼霜.深冷处理工艺对高速钢M42组织及性能影响的研究[D].湖南大学,材料加工工程,2012,硕士.
[32]马跃.陕西省农村公共服务农民满意度实证分析[D].西北大学,行政管理,2014,硕士.
[33]许桐桐.我国上市公司环境信息披露动因及影响因素研究[D].哈尔滨工业大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[34]曾祥梅.单模光纤中光脉冲的压缩及光脉冲对的分裂与聚合研究[D].陕西师范大学,光学,2004,硕士.
[35]高鹏.天津市基层专务类公务员的考核研究[D].天津大学,公共管理,2013,硕士.
[36]江国栋1,丁强2.一种涡流传感器恒流驱动电路设计[J].工矿自动化,2014,11:.
[37]陈育斌.MOPA结构HF化学激光器能量提取效率研究[D].国防科学技术大学,光学工程,2012,硕士.
[38]陈静如.汉代奏议写作研究[D].湖南师范大学,写作学,2014,硕士.
[39]李勇明.基于DSP的交流稳流源数字控制研究[D].浙江大学,电力电子与电力传动,2004,硕士.
[40]倪俊.促纤维增生性小圆细胞肿瘤的临床诊治分析[D].浙江大学,外科学,2004,硕士.
[41]尤丽.老年人监护制度研究[D].北方工业大学,民商法学,2013,硕士.
[42]张晓燕.人教版语文教科书助读系统使用的研究[D].山东师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[43]琪琪格苏仁.蒙古国高校汉语教学现状与对策研究[D].河北大学,汉语国际教育（专业学位）,2014,硕士.
[44]辜翔宇.从“他者”到“勇士”—汤亭亭《女勇士》之解读[D].四川师范大学,英语语言文学,2004,硕士.
[45]蔡尊德,王珏,陆雯雯,董博.船舶应急响应服务(ERS)[J].航海技术.2007(06)
[46]唐浩.基于灰度分层与几何分块的蛋白质点匹配方法研究[D].南昌航空大学,检测技术与自动化装置,2013,硕士.
[47]苏相琴.面向对象的土地利用/土地覆被变化检测研究[D].辽宁工程技术大学,地图制图学与地理信息工程,2012,硕士.
[48]游小霞.Oracle9i集群的力量[N].中国计算机报,2001-06-25E03.
[49]岑继洋.炉口微差压控制系统在转炉炼钢中的应用[J].冶金自动化,2003,03:65-67.
[50]袁勇.环境经济综合核算体系（SEEA）理论与方法探析[D].东北财经大学,统计学,2003,硕士.