超导量子计算基于以约瑟夫森结为核心的超导量子电路和量子器件,相比于其它形式的量子计算方案,具有损耗低,量子态的制备、调控和读取灵活,以及容易集成化等诸多优点,目前被认为是最有可能实现全固态量子计算的方案之一。本论文对超导位相量子比特、n SQUID量子比特、耦合Xmon型量子比特以及用于量子态单发非破坏读出的约瑟夫森参量放大器（JPA）的多层膜制备工艺、参数优化与物理性质等进行了系统的研究,研究工作的创新性成果可以分为如下5个部分:1、系统研究了用于制备多种超导量子比特及其辅助器件的多层膜工艺。根据不同加工方法的特点,发展了在高阻硅和蓝宝石基片上依次生长多层薄膜并加工所需图形的工艺,包括采用直流磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发、等离子增强气相沉积等方法生长薄膜,和紫外曝光、激光直写、电子束曝光、反应离子刻蚀、湿法刻蚀等工艺加工图形,成功制备了各种图形的铌膜、铝膜、绝缘膜（非晶硅、氟化钙）、和双角度对蒸高质量的Al/Al Ox/Al约瑟夫森结,进而是以此为基础的超导位相量子比特、n SQUID量子比特、耦合Xmon型量子比特、约瑟夫森参量放大器等多种量子器件。2、成功制备了超导位相量子比特。应用双角度对蒸方法制备的结区面积范围为0.4-0.6μm2,临界电流密度范围为800-2000 m A/cm2。采用上述的工艺技术制备了拥有较小结区面积的超导位相量子比特,有效减小了对量子比特性能有不良影响的二能级系统的退相干作用。3、成功制备了n SQUID量子比特。n SQUID量子比特不同于其它类型量子比特,在结构上SQUID部分具有双圈双结结构和特殊的负值互感,因此其在量子信息的传输速度方面拥有一定优势。本文应用高精度的多层膜加工工艺与双角度对蒸的制备方法,在同一个器件上一次性生长了多种尺寸的Al/Al Ox/Al约瑟夫森结,成功制备了新型n SQUID量子比特并第一次观测到了这类器件的Rabi振荡、能量弛豫现象、Ramsey干涉等量子态相干特性,为该方向日后进一步的物理研究打下了很好的基础。4、成功制备了宽带约瑟夫森参量放大器。系统研究了放大器的基本原理与设计方案,在主流的窄带与宽带器件的制备方面改进了多层膜工艺,利用新工艺简化了制备步骤、缩短了制备的周期、提高了器件的制备成功率。制备的器件可工作在若干中心频率,有效增益达15-24 d B,有效带宽达600 MHz,噪声温度逼近量子极限,因此该器件可用于多达20-30个耦合量子比特量子态的同时单发非破坏性读出。5、研究了Xmon型耦合10量子比特器件,积累了设计、制备经验,将Xmon量子比特与约瑟夫森参量放大器联合使用,得到了预期的效果,读出信号的信噪比约为3,基态和激发态的读出保真度分别为97%和91%,这为诸多超导量子计算、量子模拟和量子物理问题的研究奠定了基础。