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多端约瑟夫森效应的理论研究及其在量子计算中的应用

批准号:
12074039
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
曹霑
学科分类:
凝聚态物质力热光电性质
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
曹霑

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
随着新材料和纳米科学的快速发展,多端约瑟夫森效应近年来在介观物理学界受到广泛关注。相较于传统的二端约瑟夫森结,多端约瑟夫森结具有更多引人入胜的性质,进而能为量子计算的发展提供更广阔的平台。多端结中的安德列夫束缚态可以模拟拓扑能带。多端结具有复杂的量子动力学及非线性响应特性。基于二维电子气的平面多端结可能实现马约拉纳模的辫子操作。此外,多端结也可用于高保真度高集成度多量子比特门的设计。然而,多端约瑟夫森结的一般理论及其在量子器件中的应用仍有待进一步探索。在本项目中,我们将在多体物理的框架下对多端约瑟夫森结的动力学性质进行系统的理论研究,并讨论其在量子计算中的潜在应用。在动力学性质方面,我们将重点研究拓扑安德列夫能带的输运特性、相位场耗散相变、相位场—马约拉纳模耦合动力学等问题。在器件应用方面,我们将从多端结有效哈密顿量模型出发,分析多量子比特门实现的可行性,进而给出模型的最优参数。
英文摘要
Along with the fast developing material science and nanotechnology, the multiterminal Josephson effects have recently become one of the focuses of the mesoscopic physics. Compared to the conventional two-terminal Josephson junctions, the multiterminal Josephson junctions exhibit more fascinating properties and offer a broader platform for the quantum computation. The Andreev subgap states of the multiterminal Josephson junctions can simulate topological bands. The multiterminal junctions exhibit complex quantum dynamics and nonlinear response properties. The multiterminal planar junctions based on two-dimensional electron gases provide a potential platform for Majorana modes braiding. In addition, the multiterminal junctions can be exploited to design high-fidelity and high-density multiqubit gates. Nevertheless, the general theory of the multiterminal Josephson effects and its application to the quantum devices remain to be explored. In this project, we will carry out a comprehensive theoretical study on the quantum dynamics of the multiterminal Josephson junctions in the framework of many-body physics, and discuss its potential applications to the quantum computation. We will focus on the dynamical problems such as the transport signatures of the topological Andreev bands, the dissipative phase transition of phase fields, and the dynamics of coupled phase fields and Majorana modes. On the other hand, in the aspect of the quantum devices, we will analyze the feasibility of applying multiterminal junctions to multiqubit gates via the effective Hamiltonian approach and obtain the optimized model parameters.
拓扑量子计算是当前备受瞩目的前沿研究领域。本项目围绕多端约瑟夫森结和异质结系统,深入探讨了实现拓扑量子计算所面临的相关科学问题。在多端约瑟夫森结系统中,我们首次理论预言了非阿贝尔SU(2)单极子的存在,其拓扑荷由第二类陈数表征,并提出了相应的实验探测方案。在异质结系统方面,我们系统研究了拓扑绝缘体-超导全壳纳米线中静电场对实现Majorana零模的影响,计算了该体系的拓扑相图,为实验研究提供了重要理论指导。此外,我们针对基于PbTe纳米线的量子点状接触实验中观测到4e^2/h量子化电导台阶这一现象进行了数值模拟,提出其来源于对称性导致的量子力学简并,证实了PbTe纳米线无序度低,在构建Majorana零模方面有独特优势。我们还发现,将Majorana零模引入共振能级模型可诱导拓扑简并态,有利于实验上观测边界Berezinskii-Kosterlitz-Thouless相变。对Majorana零模的淬火动力学研究表明,无序可以保护拓扑相,为拓扑量子计算中的容错机制提供了理论支持。此外,在超导研究方面,我们与国内实验团队合作,论证了铜基超导体中存在s波配对,并针对单层石墨烯和LaAlO3/SrTiO3异质界面的耦合体系提出了一种与超导量子涨落相关的新型库伦拖拽机制。..项目执行期间取得了一系列重要研究成果,共发表学术论文10篇,包括Nature Physics 1篇、Physical Review X 1篇、Physical Review B 4篇、Proceedings of the National Academy of Sciences 1篇,以及Chinese Physics Letters 1篇。
半导体—超导复合纳米线中构建和探测Majorana零能模的理论研究
  • 批准号:
    12374158
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    53.00万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    曹霑
  • 依托单位:
基于Schrödinger-Poisson方程的半导体-超导混合纳米线电学性质的数值模拟
  • 批准号:
    12004040
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    曹霑
  • 依托单位:
国内基金
海外基金