1. 研究目的与意义（文献综述）

约瑟夫效应是由b.d josephson在1962年首先提出并以他的名字命名的，它是超导电子对从一个超导体穿过一层绝缘体进入另一超导体的隧道贯穿现象。约瑟夫森效应不仅显示了宏观量子力学效应，具有十分重要的理论意义，并且具有非常多的实际应用。约瑟夫森结是目前应用最广泛的超导量子器件，它是一种“超导体—绝缘体—超导体”的三层结构，其中，中间很薄的绝缘层一般由金属氧化物形成，这对于电子来说就是一种势垒。这样厚度的绝缘层导致两块超导电极形成弱耦合，从而产生约瑟夫森隧穿电流。

约瑟夫森结在通信，生物，超导量子计算等方面有着巨大的实际使用价值。通信方面，由于混沌在信号处理和保密通信等领域具有重要的研究和应用价值，约瑟夫森结作为一种高度的非线性器件，存在着复杂的混沌行为，并且约瑟夫森结型器件本身具有低噪声，低功耗和高工作频率等独特优点，使得约瑟夫森结及阵列中的混沌行为收到了广泛的关注。非线性科学被誉为本世纪相对论和量子力学以来的第三次科学革命，利用同步的混乱系统进行保密通信是当前国际研究的一大热点。生物方面，超导量子干涉仪可以测出非常微弱的磁场，例如人体的肺磁，心磁，大脑神经磁信号，并且不需要和人体接触，在医学领域有广大前景。同时，在2010年，patrick crotty提出的由约瑟夫森结构成的超导电路可以模拟生物神经元的复杂行为和动力学特征，而且由约瑟夫森结神经元构成的大型网络可以并行计算，运算速度远超过经典神经元构成的网络。超导量子计算方面，超导量子计算的核心单元即是约瑟夫森结。约瑟夫森量子电路中的能级间隔正好在微波频段，因此我们可以用微波和外加电磁信号进行很好的控制。同时，基于现有的微电子制造工艺，使约瑟夫森量子电路有着原子体系和光学体系无法比拟的可扩展性。超导量子的这些优点使得超导量子电路是最具潜力的大规模量子信息处理器的方案之一，目前单量比特逻辑门操作已在不同种类的约瑟夫森器件上实现，双量子比特逻辑门也陆续在不同的超导量子电路中完成。但是超导量子计算仍处于摇篮阶段。

应用超导的宏观量子特性，以约瑟夫森结为基本器件来控制超导宏观波函数的自由度，目前有三种形式的量子比特基本结构：相位量子比特、磁通量子比特和电荷量子比特。本设计是利用约瑟夫森结设计其中之一的磁通量子比特。

2. 研究的基本内容与方案

1.基本内容。本设计旨在掌握约瑟夫森结的基本原理和结构，了解超导量子计算以及介观电路的量子化处理方法。在此基础上，利用约瑟夫森结设计超导磁通量子比特。超导磁通量子比特，是一个磁通偏置的有约瑟夫森结的超导环，在其量子位中，磁通自由度起主导作用，它的量子态可以是对应于正反两个方向的超导电流。超导磁通量子比特的优点是没有引线和测量仪器相连，因此我们更加容易把它和环境隔离开，从而得到较长的相干时间。同时超导磁通量子比特具有较好的稳定性，容易通过电感耦合。缺点是超导磁通量子比特对磁涨落非常敏感。

2.目标。掌握约瑟夫森结的基本原理和超导量子计算的内容及介观电路的量子化处理方法。

3.拟采用的技术方案及措施。首先一个约瑟夫森结插入闭合的超导环中，同时施加适当的偏置磁通量，就实现了一个超导磁通量子位。由于超导量子波函数的单值性，偏置磁通引起的相位增加必须由约瑟夫森结两侧的相位差来补偿，从而在回路中产生一个超导电流。然后把超导磁通量子位放在低温条件下，我们可以通过适当时间的等待，使系统弛豫到基态来进行初始化，然后使用微波辐照或磁场偏置调控量子态，相邻磁通量子位之间可以利用互感进行耦合，完成多量子位联合操作。最后我们可以用直流超导量子干涉仪（dc squid）来测量超导磁通量子位的量子态。

3. 研究计划与安排

第1—3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解超导约瑟夫森结的基本原理，确定方案，完成开题报告。

第4—6周：完成一篇不少于5000字英文文献翻译，进一步理解超导量子计算的特点和介观电路的量子化处理方法。

第7—13周：设计超导磁通量子比特电路并分析能级结构，实现两超导磁通量子比特的局域耦合。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 吴春旺.基于约瑟夫森结的超导量子计算研究[d].长沙：中国人民解放军国防科技大学理学院物理系，2012.

[2] 于洋.约瑟夫森器件中的宏观量子现象及超导量子计算[r].南京：南京大学物理系，2004.

[3] 王吉林，刘建设，陈培毅.量子计算与超导量子计算机[a].北京：清华大学微电子学研究所，2008.

[4] 李日明.约瑟夫森结阵列中的混沌研究[d].长春：长春理工大学，2012.