相比经典计算机，量子计算机存储所用的量子比特拥有数倍的信息存储量，若能够将量子比特应用于量子计算机中，不仅存储能力指数倍增加，计算机的运算速度也将发生翻天覆地的变化。所以自从发现宏观量子现象能够应用于比特存储，如何利用量子现象完成各种逻辑操作并且能够良好的应用在量子计算机上成为了焦点。理论上，量子比特至少拥有五个功能，能够被寻址、控制、测量、同相邻的系统耦合、与环境分离，其中超导约瑟夫森器件所表现的宏观量子现象则很好地满足这些条件，量子逻辑运算可以通过控制栅极电压或磁场来实现，同时这种器件又易于设计、集成^[1]。

1999年，麻省理工学院的奥兰多等人就提出了一种超导量子比特的设计方案，由三个连接在超导电路中的由磁场控制的纳米级铝约瑟夫森结组成，它拥有对基底中的背景电荷不敏感的优点。和普通的光子、原子和核量子比特等相比，会产生噪音和退相干和制作的困难性的两大缺点，但是固态版电路拥有非常好的灵活性^[2]。2000年，弗里德曼等人通过光谱测量证明了磁通量量子比特的本征能，他们观察到了不同磁通量态的叠加。2001年，卡尔斯鲁厄理工学院的格尔德等人讨论了量子通量量子位的量子特性，并且利用量子相干时间演化的方法找到具有本质长相干时间的系统，并将外部相位极小化^[3]。2002年，堪萨斯小组直接地观测到宏观量子态波函数在基态和激发态之间在时序上相干振荡^[4]。

我们希望利用约瑟夫森结设计超导相位量子比特来实现对量子比特的操控。其中利用电流偏置的约瑟夫森结来实现以相位自由度为主导变量编码量子态，采用介观电路的量子化处理方法，分析以自由度作为主导变量的超导相位量子比特的优缺点并且实现双量子比特间的相干耦合。若我们实现了对量子比特的操控，则达到了逻辑操作中最基本的条件，当然更加重要的是了解此种方法的噪音、相关性、是否易于设计制作电路等等特点。从而确定该种方案未来的发展方向和需要改进的缺点。

2. 研究的基本内容与方案

阅读约瑟夫森效应的相关文献资料，掌握超导约瑟夫森效应的基本原理，一般来说超导量子比特可以分为3种，而约瑟夫森结则是上面说过的相位量子比特，一个约瑟夫森结便是一个相位量子比特，可以通过微波辐射控制量子态并通过测量电荷的隧穿过几率来测量量子态。

查找近几年有关约瑟夫森结制作量子比特的文献，并且了解当前超导量子计算的优缺点。一般来说，超导相位量子比特的结构较为简单容易设计，但是1/f噪声对相位量子比特的相关时间影响较大，参考他人设计思路尽可能找到具有本质长相位相干时间并且受外部噪声影响较小的系统。最后设计出利用约瑟夫森结的超导相位量子比特电路并且实现对以相位自由度作为主导变量来编码的超导相位量子比特并且进行理论计算和电脑模拟。

[1] 于扬. 约瑟夫森器件中的宏观量子现象及超导量子计算[J]. 物理, 2005, 34(8): 578-582.

[2]Orlando T P, Mooij J E, Tian L, et al. Superconducting persistent-currentqubit[J]. Physical Review B, 1999, 60(22): 15398.

[3]Makhlin Y, Schouml;n G, Shnirman A. Quantum-state engineering withJosephson-junction devices[J]. Physics, 2008, 73(2): 357-400.

[4]Entangled Macroscopic Quantum States in Two Superconducting Qubits[J]. Science,300.

[5]Marchenkov A, Simmonds R W, Backhaus S, et al. Bi-state Superfluid 3He WeakLinks and the Stability of Josephson π States[J]. Phys.rev.lett, 1999,83(19): 3860-3863.