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超导电子学在量子光学和量子计量中的应用

凌浩

SQUID（超导量子干涉装置）已经使用了半个多世纪，是最早的宏观量子装置之一。在毫开尔文温度下运行的 SQUID 可以充当量子计算机的量子位，最近关于 50 多个量子位电路的报告表明了该技术的发展程度。在本次演讲中，作者将描述 SQUID 作为量子探测器的另外两种应用，重点关注单自旋和单光子能量分辨探测。大多数超导器件依赖于三层约瑟夫森隧道结，这种结不容易扩展到纳米尺度。我们开发了一种约瑟夫森结制造方法，基于电子束光刻或聚焦离子束铣削单层超导体薄膜（通常为铌），可提供小至 50 nm 的尺寸。这些设备与量子技术和计量学中的两个主要应用特别相关。首先，通过将 SQUID 环和结的尺寸缩小到 200 nm 左右，SQUID 磁化测量的灵敏度提高到可以检测到单个电子自旋翻转的水平。这在 4K 相对较高的温度下是可能的。 

我们正在与萨里大学合作，在 SQUID 环路中注入单个磁性离子，以提供一个平台来测试这种组合，作为在比传统 Transmon 超导器件更高的温度下运行的新型量子位的基础。我们正在开发的第二个基于 SQUID 的探测器是一种感应跃迁边缘传感器装置 (ISTED)，用于单光子的能量解析测量。这是基于传统过渡边缘传感器的开发，我们检测超导体小薄膜吸收光子时穿透深度的变化。这样，由于吸收器始终保持在超导状态，因此可以避免传统 TES 中的主要噪声源。通过这种方式，我们演示了 633 nm 处的单光子检测，0.