量子计算发展经历了理论概念的研究,有加速效应算法的提出,在各类型硬件平台上研制量子计算机这几个阶段。目前量子计算重要的研究方向之一为如何构建一台以超导量子比特为基本单元的量子计算机。超导量子比特主要是指基于超导约瑟夫森结的量子比特。近二十年,超导量子比特的退相干性能取得长足的进展。国际国内开始研究含有多个超导量子比特的量子芯片。在这方面研究中,一是要制备性能良好的多比特芯片;二是制备约瑟夫森参量放大器,在宽的带宽范围内对量子比特信号进行放大,以实现同时的对多个量子比特的量子态进行单发的非破坏性的测量。该论文对博士期间在这两方面做的研究工作进行介绍。首先对研究背景进行介绍,系统扼要的讲述了量子计算和量子信息的基本原理和发展过程,重点介绍了超导量子比特和约瑟夫森参量放大器的结构及理论。并介绍了实际研究进展,引出论文拟解决的问题即在宽的带宽范围内,对能量尺度在单个微波光子的信号,进行噪声水平接近量子极限的放大。就研究课题,展开了大量、系统的工作,内容概括为参与搭组带有多根微波线缆的测量系统;制备约瑟夫森参量放大器,多比特量子芯片;同多家研究单位合作,对制备的器件性能进行研究;并在自己搭建的系统上对宽带约瑟夫森参量放大器以及超导量子芯片进行表征。工作的详细内容包括了通过光刻掩膜版的设计,测试结构的设计,测试结构的制备及表征,以及各个工艺参数反复摸索,形成了一套完整的用于制备约瑟夫森参量放大器的微纳米加工工艺。该套工艺特点之一是使用湿法刻蚀Al薄膜。相对于干法刻蚀Al薄膜而言,湿法刻蚀使用小型的水浴仪器,操作简便,成本相对低廉,避免使用有毒性气体刻蚀。通过这一套工艺,成功制备了窄带的约瑟夫森参量放大器。制备的窄带约瑟夫森参量放大器,增益在14 dB以上的带宽为35 MHz左右。噪声水平约400 mK,接近量子极限水平。将窄带放大器用于单个超导量子比特量子态读出,明显提高了读出信号的信噪比。在制备窄带参量放大器的工艺基础上进行优化,使用EBPG 100 KeV电子束曝光机,在两英寸Si衬底上,制备多个批次的宽带的约瑟夫森参量放大器,制备的宽带约瑟夫森参量放大器14 dB以上增益的带宽达到约200 MHz。多个课题组用制备的宽带参量放大器进行量子实验,实现了对多个量子比特的量子态同时的单发的非破坏读出。且明显提高了读出信号的信噪比。在多比特制备方面进行的实验内容如下,摸索了一套在三氧化二铝衬底上制备Xmon型量子芯片的工艺,并制备了多片5比特量子芯片以及10比特量子芯片。在多比特器件的微波控制线上制备Al/SiO₂/Al结构的跨导,形成有效的连接的接地面,明显地降低了不同比特之间的串扰。通过初步表征结果显示,制备的五比特芯片的比特的能量弛豫时间达到10μs量级。论文通过系统大量的工作,完成了超导量子芯片以及约瑟夫森参量放大器的制备,并对其展开表征研究。为国内合作研究组以及本组内的超导多量子比特研究系统打下了坚实的基础。