随着量子信息科学的发展，实现量子信息的传送、处理以及数据计算正在成为人们共同努力的方向。特别是为了实现量子计算，我们必须对适当的量子力学体系中相干的动力学过程进行人为的控制，这一量子态工程已成为现代物理学中一个重要的研究领域。然而由于在此过程中量子相干性容易在与环境的耦合和量子测量中被破坏（量子退相干），使得在实验上实现量子计算极为困难。

 

以约瑟夫森结为核心的超导量子比特是一种基于超导宏观量子效应的固态器件，具有损耗低、长程相干性好、量子态参数可通过外场及电路参数来调控、以及容易规模化并镶嵌到已发展成熟的固体电子学电路中去等优点。近年来基于位相、电荷、和磁通等不同自由度的超导量子比特在各个方面都取得了长足的发展，但如何进一步增加量子态的相干时间仍然是人们急待解决的问题。最近，人们从不同的角度提出了量子退相干的机制。例如Martinis等人提出，通常约瑟夫森结的非晶形态的隧道势垒中的缺陷是导致量子退相干的重要原因，这一结果后来在美国NIST的一个研究组采用外延层势垒的实验中得到了证实。

 

基于高温超导体的强烈的各向异性而制备的本征约瑟夫森结的隧道势垒由晶体本身的原子层组成，因而有可能在增加量子相干时间的努力中再往前走一步。最近，中科院物理所极端条件物理实验室赵士平研究员领导的研究组和微加工实验室顾长志研究员领导的研究组与美国Kansas大学韩思远教授的研究小组合作，通过解决器件的表面问题[Phys. Rev. B 72, 184511 (2005)] 和热效应问题[Phys. Rev. B 73, 224501 (2006)]，在Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ表面本征约瑟夫森结中明确地观察到了宏观量子隧穿现象，从而为相关器件在量子计算领域的可能应用打下了良好的基础，这一结果发表在《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 99, 037002 (2007) ）上。

 

该项工作的研究结果表明，表面本征约瑟夫森结在mK温区的宏观量子隧穿过程与常规超导器件的行为极为类似，临界电流对位相的依赖关系仍可以用sinφ描述。该工作还首次在全温区观察到了宏观量子隧穿、热激发、和位相扩散等不同过程，使器件的参数可以全部从实验定出，并进而与现有理论进行系统的比较。另外，表面本征结位于材料的表面，这一特点给高温超导器件在相关领域的应用提供了很大的方便。进一步的研究工作（包括d-波超导体节点准粒子的影响、分立能级的观察、和量子相干时间的测量等）目前仍在进行。

 

该项工作得到了国家自然科学基金委和科技部项目的资助。

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PRL论文原文（英文）