随着近几年的快速发展,基于超导量子电路的超导量子计算已经成为最有前景的实现量子计算机的方案。构成超导量子电路的元件主要包括电容、电感和约瑟夫森结,这些电路元件的组合可以用来建造具有特定能级结构的超导人工原子,即超导量子比特。本文主要介绍了超导量子处理器的物理实现和测控方法,以及超导量子处理器的一个重要应用,即量子模拟,基本内容包括:1、在绪论部分介绍了关于量子计算的基本概念,主要为量子比特、量子逻辑门、退相干理论和量子测量。2、在第二章中介绍了超导量子处理器的电路模型,我们首先以谐振电路为例阐述了介观电路量子化的一般性方法以及介观电路表现出量子力学行为的条件;接下来我们通过引入非线性电感元件,即约瑟夫森结,实现了具有非均匀能级结构的量子电路,并且通过二能级近似,将最低的两个能级编码为量子比特;最后依次介绍量子比特的调控、读取和耦合,在这基础上,我们可以设计出超导量子处理器,即超导量子芯片。3、第三章主要介绍超导量子芯片的测控平台,我们主要从单光子量级入射功率的实现和读取、测控线路热噪声和量子噪声的抑制、驱动信号的调制和读取信号的解调,以及微波源、直流源等设备的信号同步和延迟这四个方面说明了搭建测控平台的基本思路。4、第四章主要介绍了单比特的标定,我们分别利用频域测量和时域测量标定了量子比特的基本参数,包括读取谐振腔的共振频率、品质因子、色散位移以及量子比特的频率、驱动脉冲长度等,通过对上述参数的精确校准,我们得到了高保真度的单比特门。5、第五章则是介绍超导量子比特在模拟拓扑材料方面的应用,通过在超导量子比特的驱动微波参数空间与拓扑材料的准动量空间,即第一布里渊区之间建立映射,我们成功的模拟出某些迄今为止尚未在实验室合成的拓扑材料,并在此基础上研究其拓扑保护、拓扑相变等性质。