随着摩尔定律的逐渐失效,经典计算机的发展逐渐到了瓶颈位置。由于量子力学叠加性的存在,理论上量子计算在某些特定算法上的计算速度会远远超过经典计算机,Google于2019年实现了量子优越性[1],进一步证明了量子计算在某些特定算法上的优越性。量子计算作为一种潜在的替代经典计算的方案已经越来越受到科学家的关注,其在密码学、云计算、生物制药、金融分析等多个领域都有广阔的应用前景。目前被认为可能实现量子计算的主要几个方案分别是超导量子计算、离子阱量子计算、光量子计算、量子点量子计算等。其中超导量子计算由于其具有的高精度控制、长退相干时间、耦合强度可调等优越性质[2-5],被认为极具潜力。量子计算研究内容主要有三个方向,分别是:量子退火、量子模拟和门量子计算。其中量子退火主要用于搜索离散空间的组合优化问题与局部最优值问题;量子模拟主要是模拟量子多体系统随时间的演化,研究量子多体系统演化的物理过程;门量子计算的目标是通过纠错实现任意量子算法,是量子计算的终极目标,也是最困难的一种。实现门量子计算的方法有很多,比如surface code[6]、量子随机行走[7]等,其中surface code被认为是一种极具研究价值的方案。在这个方案中,为了实现量子纠错,对每一个操作的保真度都有严格的要求,临界值是99%,且每一步操作的保真度越高,需要实现相同纠错效果的量子比特数目就越少,因此提升单比特量子门、双比特量子门以及比特读取的保真度成为了门量子计算的重要研究课题。在超导量子比特体系中,目前已经在比特数较少的系统里成功实现了高精度的单比特门、双比特门[8],其中单比特门的保真度可以达到99.9%,双比特门的保真度可以达到99.4%。然而,上述采用的固定比特间耦合强度的超导量子比特设计存在一些原理上的问题,比如残余zz耦合[8]等,当需要大规模拓展时,该问题就会变得更加严重,同时比特的频率排布也会成为一个问题,这些都会对同步双比特门的保真度产生影响。本论文第一部分工作演示了通过可调耦合超导量子比特的设计,可以实现高精度单比特门、双比特门,其中双比特门的平均保真度可以达到99.8%,且该设计可以大幅降低多比特拓展时比特频率排布拥挤以及残余zz耦合的问题,为后续基于surface code实现门量子计算的研究提供了依据。在量子多体模拟实验中,多体系统的动力学演化是一个研究热点[9],包括量子随机行定[10-12]、量子局域化现象[13-16]等等。Bose-Hubbard模型[17,18]是凝聚态物理中最具代表性的模型之一,其强关联的特性使得该模型具有丰富的潜在物理本质,目前科学家已经在光学晶格系统[19]和超导量子电路系统中对该模型进行了一系列研究[20,21]。在一维和二维Bose-Hubbard模型系统中观察到许多新的动力学现象,比如超流体和Mott绝缘子之间的量子相变动力学行为[22,23]、具有局部无序势能系统的局域化[24]、以及Mott绝缘子的稳定性[25]等。和一维情况不同,Bose-Hubbard梯子模型表现出了独特的物理特性,尤其是拓扑效应,这些在理论和实验上都已经被研究过[26-28],本文将探索Bose-Hubbard梯子模型是否存在和一维情况不同的特殊的动力学性质。本论文第二部分将演示在一个集成了 24个量子比特的超导量子芯片上,通过对超过20个超导量子比特进行包括多比特态激发、频率调节对齐等高精度调控,实现了对Bose-Hubbard梯子模型多体量子系统的模拟,观察到了单激发和双激发两种模式下完全不同的独特动力学过程。这些结果显示了超导量子芯片作为量子模拟平台的强大应用潜力,对强关联多体系统统计学特性研究具有重要的指导意义,也为利用多量子比特系统研究多体物理系统奠定了基础,这也是国际上首次在固态量子计算系统中实现了超过20比特的高精度量子相干调控。