JP2000277723A - Quantum arithmetic element and manufacture of the same - Google Patents

Quantum arithmetic element and manufacture of the same

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JP2000277723A
JP2000277723A JP11082019A JP8201999A JP2000277723A JP 2000277723 A JP2000277723 A JP 2000277723A JP 11082019 A JP11082019 A JP 11082019A JP 8201999 A JP8201999 A JP 8201999A JP 2000277723 A JP2000277723 A JP 2000277723A
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tunnel
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    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To simplify reading of an arithmetic result by extracting the result as a DC current signal, and dispensing with performing high-speed voltage operation or high-speed signal extraction. SOLUTION: Quantum bits formed of a quantum box electrode 101 and an counter electrode 102, or the superconducting box electrode 101 and the superconducting counter electrode are controlled by a gate voltage impressed to a gate electrode, and reading after the arithmetic operation of the quantum bits and preparation in the initial state before the arithmetic operation of the quantum bits can be realized by a probe electrode 106 which is connected through a tunnel barrier 107 with the quantum bits. After the end of reading of the Cooper electron pairs, the initial state is automatically prepared, and the same arithmetic operation is repeatedly performed so that the output can be obtained as a DC current signal, and reading can be simplified. Also the constitution of the reading circuit becomes simplified, and the number of wiring can be reduced.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、低容量のジョセフ
ソン結合システムに関係する量子計算機に用いる量子演
算素子とその製法に関する。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a quantum operation device used in a quantum computer related to a low-capacity Josephson coupling system and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】量子計算機(Quantum Computer)は、例
えば大きな自然数素因数分解など、従来の古典的計算機
では計算量が莫大になって、事実上解くことのできなか
った問題を解くことができるものとして、理論的に提案
されている(文献:エス・アイ・エイ・エム ジャーナ
ル・オブ・コンピューティング 第26巻、1484ペ
ージ(SIAM Journal of Computing, Vol.26, p.1484 (1
997)))。
2. Description of the Related Art Quantum computers are capable of solving problems, such as large natural number factorization, which could not be solved by a conventional classical computer due to the enormous amount of calculation. , Theoretically proposed (literature: SMIJ Journal of Computing, Vol. 26, p. 1484 (SIAM Journal of Computing, Vol. 26, p. 1484 (1
997))).

【0003】この量子計算機では、古典的計算機でのビ
ットに対応するものとして、量子ビットと呼ばれる量子
2準位系が用いられる。演算を行なうにあたっては、量
子ビット群に対してユニタリー変換操作が行なわれ、演
算終了後に量子ビットの読み出しが行われる。量子ビッ
トとしの量子2準位系として、超伝導量子演算素子を用
いることができる。
In this quantum computer, a quantum two-level system called a qubit is used to correspond to a bit in a classical computer. In performing the operation, a unitary transformation operation is performed on the group of qubits, and the qubit is read out after the operation is completed. As a quantum two-level system as a qubit, a superconducting quantum operation device can be used.

【0004】従来、この種の超伝導量子演算素子は、例
えば文献1998年8月6日、ロスアラモス・プレプリ
ントサーバー(http://xxx.lanl.gov/)cond-mat/98080
67及び1998年6月15日、フィジカル・レビュー・
ビー第57巻15400ページ(Physical Review B, V
ol.57, p.15400(1998))に示されるように、量子計算を
行なうために用いられている。
Heretofore, this type of superconducting quantum operation device has been disclosed, for example, in Los Alamos Preprint Server (http://xxx.lanl.gov/) cond-mat / 98080 on August 6, 1998.
67 and June 15, 1998, Physical Review
Bee Vol. 57, p. 15400 (Physical Review B, V
ol. 57, p. 15400 (1998)).

【0005】図5は従来の超伝導量子演算素子の一例を
示す回路図である。超伝導箱電極501中の余剰クーパ
ー対数が、帯電効果により0または1に制限され、かつ
その2つの状態は、トンネルバリア504を介した超伝
導対向電極502との間のクーパー対のトンネリングに
よって、コヒーレントに結合している。これが量子ビッ
トとして機能する。ゲート電極503に印加されたゲー
ト電圧が、ゲート容量505を介して箱電極501に作
用し、複数列の超伝導箱電極501中の余剰クーパー対
数が一括して量子ビットに対する演算を行なうことにな
る。
FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a conventional superconducting quantum operation device. The number of surplus Cooper pairs in the superconducting box electrode 501 is limited to 0 or 1 by the charging effect, and the two states are due to tunneling of the Cooper pair with the superconducting counter electrode 502 through the tunnel barrier 504. Coherently coupled. This functions as a qubit. The gate voltage applied to the gate electrode 503 acts on the box electrode 501 via the gate capacitance 505, and the surplus Cooper pairs in the superconducting box electrodes 501 in a plurality of rows collectively perform the operation on the qubit. .

【0006】図中、点線より右側は、量子ビットの状態
を読み出す読み出し回路である。読み出し回路は、単一
電子トランジスタで構成されている。量子ビット内の電
荷数の状態を、読み出し容量506を介して、島電極5
07に伝送され、島電極507とトンネルバリア511
を介して接続されたソース電極508、ドレイン電極5
09の間に流れる電流値の変化として読み出す。また、
島電極507の量子ビット内の電荷はゲート電極510
からゲート容量512を介して所定電界が印加され、ド
レイン電極509の電流を制御する。上記説明では、1
ビットの量子演算回路を例に説明したが、これを並列に
配置し、各量子ビットの対向電極をインダクタンスを介
して結合することにより、任意の2つの量子ビットを互
いに相互作用させることが可能になり、多ビット間の任
意の量子演算が可能になる(文献1998年8月6日、
ロスアラモスプレプリントサーバー(http://xxx.lanl.
gov/)cond-mat/9808067を参照)。
In the figure, on the right side of the dotted line is a read circuit for reading out the state of the quantum bit. The readout circuit is constituted by a single electron transistor. The state of the number of charges in the qubit is read via the readout capacitor 506 to the island electrode 5.
07, the island electrode 507 and the tunnel barrier 511
Source electrode 508 and drain electrode 5 connected via
It is read as a change in the value of the current flowing during the period 09. Also,
The charge in the qubit of the island electrode 507 is
, A predetermined electric field is applied via the gate capacitor 512 to control the current of the drain electrode 509. In the above description, 1
Although a quantum operation circuit of bits has been described as an example, two arbitrary qubits can be made to interact with each other by arranging them in parallel and coupling the opposite electrodes of each qubit through an inductance. And arbitrary quantum operation between multiple bits becomes possible (August 6, 1998,
Los Alamos Preprint Server (http: //xxx.lanl.
gov /) cond-mat / 9808067).

【0007】なお、ここで、クーパー対(Cooper Pai
r)とは通常の金属で電子間には弱いクーロン反発力し
か働かず、個々の電子は独立に運動しているが、電子間
に僅かでも引力的な相互作用が働くと、個々の電子が自
由に運動するよりも、大きさが同じで向きが反対の運動
量を持った二つの電子が対を作ったほうがエネルギーが
低くなることから、この電子の対をクーパー対と称して
いる。クーパー対となって得をするエネルギーが、熱擾
乱のエネルギーを上回ると、多くの電子が対状態となっ
て一つのエネルギー状態に凝縮し、この状態を超伝導状
態となる。また、完全反磁性(マイスナー効果)の現象
は、凝縮したクーパー対が全て同じ位相をもち、その全
体を一つの波動関数で記述できることから説明されてい
る。
[0007] Here, Cooper Pai
r) is a normal metal and only weak Coulomb repulsion acts between the electrons, and the individual electrons move independently. However, when a slight attractive interaction acts between the electrons, the individual electrons become This pair of electrons is called a Cooper pair because the energy is lower when two electrons with the same magnitude and opposite momentum form a pair than when they move freely. When the energy gained as a Cooper pair exceeds the energy of the thermal disturbance, many electrons are paired and condensed into one energy state, and this state becomes a superconducting state. Further, the phenomenon of perfect diamagnetism (Meissner effect) is explained because the condensed Cooper pairs all have the same phase, and the whole can be described by one wave function.

【0008】また、上述の図5において、対向電極50
2と超伝導箱電極501とゲート電極503とで、単一
電子トンネリング(Single-Electron Tunneling)・ト
ランジスタを構成し、この単一電子トンネリング(SE
T)・トランジスタを複数列設けて読み出し容量506
によって演算結果とし、演算結果を読み出しトランジス
タのソース電極508と、ドレイン電極509と、ゲー
ト電極510から読み出される。
Further, in FIG.
2, a superconducting box electrode 501 and a gate electrode 503 form a single-electron tunneling (Single-Electron Tunneling) transistor.
T) The read capacity 506 is provided by providing a plurality of columns of transistors.
As a result, the operation result is read from the source electrode 508, the drain electrode 509, and the gate electrode 510 of the read transistor.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】従来の超伝導量子演算
素子では、演算結果を量子ビットから読み出す際に、高
速かつ複雑な操作と、外部への高速信号の取り出しの必
要があった。また多数の配線が必要であった。単一電子
トランジスタを流れる電流は量子ビット側へ雑音として
の作用を与えてしまうため、量子演算中には、ソース・
ドレイン間の電圧を0にして、電流が流れないようにす
る必要がある。
In the conventional superconducting quantum operation device, when the operation result is read from the qubit, it is necessary to perform a high-speed and complicated operation and to take out a high-speed signal to the outside. Also, many wirings were required. During the quantum operation, the current flowing through the single-electron transistor acts as noise on the qubit side.
It is necessary to make the voltage between the drains zero so that no current flows.

【0010】そのため、演算終了後にステップ関数的に
ソース・ドレイン電圧をかける必要がある。しかも島電
極507の電位が、量子ビットの状態に及ぼす影響を考
えると、ソース電圧とドレイン電圧は大きさが等しく符
号が反対でなくてはならない。また単一電子トランジス
タの動作点を調整するために、ゲート電極510には調
整用の電圧を加える必要がある。
Therefore, it is necessary to apply the source / drain voltage in a step function after the operation is completed. In addition, considering the effect of the potential of the island electrode 507 on the state of the qubit, the source voltage and the drain voltage must have the same magnitude and opposite signs. Further, in order to adjust the operating point of the single electron transistor, it is necessary to apply a voltage for adjustment to the gate electrode 510.

【0011】さらに、読み出し動作中には読み出し回路
の反作用により、量子ビットの状態が徐々に失われてし
まうため、読み出しはその前に迅速に行なう必要があ
る。ところが単一電子トランジスタのソースドレイン抵
抗は100kΩ程度と大きく、50Ωの伝送線路とのイ
ンピーダンス整合を取る必要があり、回路構成が複雑に
なる。
Furthermore, during the read operation, the state of the qubits is gradually lost due to the reaction of the read circuit, so that the read must be performed quickly before the read operation. However, the source-drain resistance of a single-electron transistor is as large as about 100 kΩ, and it is necessary to match impedance with a 50-Ω transmission line, which complicates the circuit configuration.

【0012】本発明は、上述した量子演算素子の構成及
び動作上の簡単な調整と簡単な回路構成を提供し、高速
の電圧操作や高速信号の取り出しが不要になり、演算結
果の読み出しを簡単にすることを課題とする。
The present invention provides a simple adjustment of the configuration and operation of the above-described quantum operation device and a simple circuit configuration, which eliminates the need for high-speed voltage operation and high-speed signal extraction and makes it easy to read out the operation result. The task is to

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明は、量子箱電極と
対向電極が第一のトンネルバリアを挟んで結合した量子
ビット構造、および、その量子箱電極と静電容量を介し
て結合したゲート電極、および、その量子箱電極と第二
のトンネルバリアを介して結合したプローブ電極とを含
み、量子ビットにおける第一のトンネルバリアを介した
コヒーレント振動時間が第二のトンネルバリアを介した
キャリアトンネル緩和時間より短くすることを特徴とす
る。また、第一のトンネルバリアの厚さが第二のトンネ
ルバリアの厚さより薄いことを特徴とする。また、第一
のトンネルバリアの面積が第二のトンネルバリアの面積
より広いことを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a qubit structure in which a quantum box electrode and a counter electrode are coupled with a first tunnel barrier interposed therebetween, and a gate coupled with the quantum box electrode via a capacitance. An electrode, and a probe electrode coupled to the quantum box electrode via a second tunnel barrier, and the coherent oscillation time of the qubit through the first tunnel barrier is a carrier tunnel through the second tunnel barrier. It is characterized in that it is shorter than the relaxation time. Further, the thickness of the first tunnel barrier is smaller than the thickness of the second tunnel barrier. Further, the area of the first tunnel barrier is larger than the area of the second tunnel barrier.

【0014】また、本発明は、量子箱電極、対向電極が
超伝導体で構成され、あるいは、対向電極の超伝導ギャ
ップエネルギーが量子箱電極の超伝導ギャップエネルギ
ーより大きい量子演算子に関する技術を提供し、更にそ
の量子演算子の第二のトンネルバリア実現において、第
一のトンネルバリア形成工程で設けたトンネルバリア膜
に選択的にトンネルバリア膜を重ねる量子演算子の製造
方法に関する技術を提供する。
The present invention also provides a technique relating to a quantum operator in which the quantum box electrode and the counter electrode are made of a superconductor, or the superconducting gap energy of the counter electrode is larger than that of the quantum box electrode. Further, in the realization of the second tunnel barrier of the quantum operator, a technique related to a method of manufacturing a quantum operator in which a tunnel barrier film is selectively overlapped with a tunnel barrier film provided in a first tunnel barrier forming step is provided.

【0015】そのため、本発明によれば、量子箱電極と
対向電極、あるいは超伝導箱電極と超伝導対向電極よっ
て形成された量子ビットを、ゲート電極に印加されるゲ
ート電圧で制御し、量子ビットにトンネルバリアを挟ん
で結合されたプローブ電極によって、量子ビットの演算
後の読み出し、および演算前の初期状態の準備が可能と
なる。
Therefore, according to the present invention, the qubit formed by the quantum box electrode and the counter electrode or the superconducting box electrode and the superconducting counter electrode is controlled by the gate voltage applied to the gate electrode, and The probe electrodes coupled to each other with a tunnel barrier interposed therebetween enable readout of the qubit after operation and preparation of an initial state before the operation.

【0016】また、超伝導箱電極のクーパー電子対を読
み出し終了後、初期状態が自動的に準備されるため、同
じ演算を繰り返し行なうことにより、直流電流信号とし
て出力を得ることができ、読み出しが単純かつ容易にな
る。また本発明では、読み出し回路の構成が簡単にな
り、電極数を減らすことができる。
After the Cooper electron pair of the superconducting box electrode is read out, the initial state is automatically prepared. By repeating the same operation, an output can be obtained as a DC current signal. Be simple and easy. Further, in the present invention, the configuration of the readout circuit is simplified, and the number of electrodes can be reduced.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】本発明による実施形態について、
図面を参照しつつ詳細に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments according to the present invention will be described.
This will be described in detail with reference to the drawings.

【0018】本発明の構成の代表例は図1のとおりであ
る。図において、101は低温時に超伝導状態となる超
伝導体からなる超伝導箱電極、102はソースともいえ
る超伝導体の対向電極、103は超伝導体でもよいゲー
ト電極、104は超伝導箱電極101と対向電極102
間の薄い薄膜からなるトンネルバリア、105はゲート
電極103と超伝導箱電極101間のゲート容量、10
6はドレインとも成る超伝導体のプローブ電極、107
は超伝導箱電極101とプローブ電極106間のトンネ
ルバリア104よりは厚めのトンネルバリアである。
FIG. 1 shows a typical example of the configuration of the present invention. In the figure, 101 is a superconducting box electrode made of a superconductor which is in a superconducting state at a low temperature, 102 is a counter electrode of a superconductor which can be called a source, 103 is a gate electrode which may be a superconductor, and 104 is a superconducting box electrode 101 and counter electrode 102
The tunnel barrier 105 formed of a thin thin film between the gate electrode 105 and the gate capacitance 105 between the gate electrode 103 and the superconducting box electrode 101.
6 is a superconductor probe electrode which also serves as a drain, 107
Is a tunnel barrier thicker than the tunnel barrier 104 between the superconducting box electrode 101 and the probe electrode 106.

【0019】また本量子演算素子を詳細に説明すれ
ば、、図1において、絶縁体基板上に形成された超伝導
体膜からなる超伝導箱電極101が、トンネルバリア1
04を挟んで超伝導体薄膜からなる対向電極102と結
合している。上記超伝導箱電極101と静電容量105
を介してゲート電極103が配置され、上記超伝導箱電
極とトンネルバリア107を介してプローブ電極106
が結合している。
The quantum operation device will be described in detail. In FIG. 1, a superconducting box electrode 101 made of a superconductor film formed on an insulating substrate is used as a tunnel barrier 1.
It is coupled to a counter electrode 102 made of a superconductor thin film with the electrode 04 interposed therebetween. The superconducting box electrode 101 and the capacitance 105
The gate electrode 103 is disposed via the superconducting box electrode and the tunnel electrode 107 and the probe electrode 106 via the tunnel barrier 107.
Are combined.

【0020】また、ゲート電極103に印加されるゲー
ト電圧により超伝導箱電極101の静電ポテンシャルが
制御され、それによってトンネルバリア104を介した
クーパー対のトンネリングすなわち量子ビットの状態の
遷移が制御される。
The gate potential applied to the gate electrode 103 controls the electrostatic potential of the superconducting box electrode 101, thereby controlling the tunneling of the Cooper pair via the tunnel barrier 104, that is, the transition of the state of the qubit. You.

【0021】また、プローブ電極106は正にバイアス
されており、超伝導箱電極101に余剰クーパー対が存
在するときのみトンネルバリア107を介した2つの準
粒子トンネリングによって、2電子を引き出し、量子ビ
ットの状態の観測をおこなう。
The probe electrode 106 is positively biased, and only when there is an extra Cooper pair in the superconducting box electrode 101, two quasiparticle tunneling through the tunnel barrier 107 draws two electrons, and Observe the state of.

【0022】ここで、準粒子とは、超伝導状態にある金
属で、多くの電子がクーパー対を形成し、一つのエネル
ギー状態に凝縮しているが、クーパー対は格子振動や、
外部からの光照射により一定以上のエネルギーを受け
て、二つの電子に分離する。その状態の電子を自由電子
状態とは異なっているので、準粒子と称している。この
場合、二つの電極を共に超伝導体としたトンネル接合で
は、両超伝導電極のギャップエネルギーの和に対応した
電圧で、準粒子電流が急激に増大し、電流・電圧特性に
強い非線形性が現れる。
Here, the quasiparticle is a metal in a superconducting state, and many electrons form a Cooper pair and are condensed into one energy state.
It receives more than a certain amount of energy by external light irradiation and separates it into two electrons. Since the electrons in that state are different from the free electron state, they are called quasiparticles. In this case, in a tunnel junction in which both electrodes are superconductors, the quasiparticle current sharply increases at a voltage corresponding to the sum of the gap energies of both superconducting electrodes, and strong non-linearity occurs in the current-voltage characteristics. appear.

【0023】次に、本発明の超伝導量子演算素子の動作
を図2に基づいて説明する。ここでは簡単のため1ビッ
トの量子演算素子を考える。図2(a)は超伝導箱電極
101中の余剰クーパー対の数nが、0と1の状態のエ
ネルギーに対応して、ゲート電極103のバイアス電圧
であるゲート電圧Vgに依存する様子を示したものであ
る。2つの状態が縮退する点を、Vg1とする。縮退ゲ
ート電圧Vg1から大きく外れた点Vg0では、状態0
の方が状態1よりもエネルギーが低く、Vg=Vg0に
待機することにより、量子ビットの初期状態n=0を用
意することができる。
Next, the operation of the superconducting quantum operation device of the present invention will be described with reference to FIG. Here, a 1-bit quantum operation element is considered for simplicity. FIG. 2A shows how the number n of surplus Cooper pairs in the superconducting box electrode 101 depends on the gate voltage Vg, which is the bias voltage of the gate electrode 103, corresponding to the energies of the states 0 and 1. It is a thing. The point at which the two states degenerate is defined as Vg1. At the point Vg0 that is far from the degeneration gate voltage Vg1, the state 0
Is lower in energy than state 1, and by waiting at Vg = Vg0, the initial state n = 0 of the qubit can be prepared.

【0024】次に、図2(b)に示すような、電圧パル
スをゲート電極103に印加することを考える。時間t
0以前で状態0にあったものが、時間t0+からパルス
幅Δtの間、Vg1のゲート電圧のもとで状態0と状態
1の間をコヒーレントに振動する。振動周期は、トンネ
ルバリア104のジョセフソンエネルギーをEJとする
と、プランク定数をhとして、[h/EJ]となる。パ
ルス幅を制御することにより、量子状態の移り変わりを
任意に制御することができる。これが1ビットの演算に
対応する。パルス終了後、演算結果に対応した波動関数
の重みでもって量子ビットの状態は、状態0と状態1の
重ねあわせとなる。ここで状態1は、超伝導箱電極10
1から、正側に、V=(2Δ+Ec)/eから(2Δ+
3Ec)/e迄の間に、バイアスされたプローブ電極1
06への、電子のトンネリングに対して、不安定であ
り、電子のトンネリング確率Γは、 Γ〜(eV+Ec)/e2R ……(1) (Rはプローブ接合のトンネル抵抗、Ecは箱電極の一
電子帯電エネルギー)で、2つの電子をプローブ電極1
06へ放出し、状態0へと緩和する。
Next, consider applying a voltage pulse to the gate electrode 103 as shown in FIG. Time t
What was in state 0 before 0 oscillates coherently between state 0 and state 1 under the gate voltage of Vg1 for a pulse width Δt from time t0 +. Assuming that the Josephson energy of the tunnel barrier 104 is EJ, the oscillation cycle is [h / EJ], where Planck's constant is h. By controlling the pulse width, the transition of the quantum state can be arbitrarily controlled. This corresponds to a one-bit operation. After the end of the pulse, the state of the qubit is superimposed on state 0 and state 1 by the weight of the wave function corresponding to the operation result. Here, state 1 is the superconducting box electrode 10
From 1 to the positive side, V = (2Δ + Ec) / e to (2Δ +
Probe electrode 1 biased until 3Ec) / e
06 is unstable with respect to electron tunneling, and the electron tunneling probability Γ is: ΓΓ (eV + Ec) / e 2 R (1) (R is the tunnel resistance of the probe junction, Ec is the box electrode (One electron charging energy) and the two electrons are
06 and relax to state 0.

【0025】一方、状態0は安定状態であり、何も起こ
らない。状態1が完全に緩和するまで、確率Γの数倍の
時間Td待機すると、再び初期状態0が用意され、次の
パルスにより同じ操作を繰り返すことができる。
On the other hand, state 0 is a stable state and nothing happens. After waiting for a time Td several times the probability Γ until the state 1 is completely relaxed, the initial state 0 is prepared again, and the same operation can be repeated by the next pulse.

【0026】これを繰り返すことにより、出力としてプ
ローブ電極106へ流れ出る直流電流が、終状態におい
て、量子ビットの状態が状態1にある確率密度に比例す
る信号となる。
By repeating this, the DC current flowing to the probe electrode 106 as an output becomes a signal proportional to the probability density that the state of the qubit is in the state 1 in the final state.

【0027】例えば、結果が完全に状態1のとき[2e
/Td]の直流電流が観測できる。この場合、読み出し
は直流電流を読むだけであるので、信号線には広帯域特
性は要求されない。量子演算の途中で状態が観測されて
しまう確率が無視できるように、EJ>>hΓである必
要がある。そのかわり観測が行なわれる前にはプローブ
接合から量子ビットへの反作用はない。多数ビット間の
量子演算を行なう場合には、上記1ビット素子を並列に
配置し、超伝導箱電極101を複数並列として、各量子
ビットの対向電極102をインダクタンスを介して結合
することにより、任意の2つの量子ビットを互いに相互
作用させることが可能になり、多ビット間の任意の量子
演算を行なうことも可能になる。さらに、この量子演算
から、量子コンピュータの実現も可能となる。
For example, when the result is completely in state 1, [2e
/ Td] can be observed. In this case, since the reading is only for reading the direct current, the signal line does not need to have a wide band characteristic. EJ >> hΓ needs to be satisfied so that the probability that a state is observed during the quantum operation can be ignored. Instead, there is no reaction from the probe junction to the qubit before the observation is made. When performing a quantum operation between a number of bits, the 1-bit elements are arranged in parallel, a plurality of superconducting box electrodes 101 are arranged in parallel, and the opposing electrodes 102 of the respective qubits are coupled via an inductance. Can be made to interact with each other, and an arbitrary quantum operation between multiple bits can be performed. Furthermore, from this quantum operation, it is possible to realize a quantum computer.

【0028】図1に示した超伝導量子演算素子により、
バイアスや制御電圧はプローブ電極とゲート電極によ
り、超伝導箱電極の状態を読み取り、また超伝導箱電極
が複数列で有ればその演算結果を得ることができるの
で、従来の図5に示すような量子演算素子と比べても、
複雑な制御の必要性が無いことがわかる。
The superconducting quantum operation device shown in FIG.
As for the bias and control voltage, the state of the superconducting box electrode is read by the probe electrode and the gate electrode, and if the superconducting box electrodes are arranged in a plurality of rows, the operation result can be obtained. Compared to a simple quantum operation device,
It can be seen that there is no need for complicated control.

【0029】[0029]

【実施例】次に、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。図3は本発明の実施例の上面図である。
基板には絶縁体基板305、例えば表面酸化されたシリ
コン基板を用いる。アルミ箱電極301,アルミ対向電
極302,アルミプローブ電極306,アルミゲート電
極303の各電極は、超伝導体で形成される。また、図
3と図1とはほぼ対応した回路図であり、超伝導箱電極
101はアルミ箱電極301と対となっており、他の電
極及びバリアも同様である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a top view of the embodiment of the present invention.
As the substrate, an insulator substrate 305, for example, a silicon substrate whose surface is oxidized is used. Each of the aluminum box electrode 301, the aluminum counter electrode 302, the aluminum probe electrode 306, and the aluminum gate electrode 303 is formed of a superconductor. FIG. 3 is a circuit diagram substantially corresponding to FIG. 1. The superconducting box electrode 101 is paired with the aluminum box electrode 301, and the other electrodes and barriers are the same.

【0030】材料としてはアルミおよびニオブが用いら
れる。ゲート電極303は別に常伝導貴金属、金および
白金を用いることもできる。また、酸化アルミ・トンネ
ルバリア304,酸化アルミ・トンネルバリア307の
各バリアは、対向電極302の蒸着後に、もう一度酸素
を真空室に導入し、超伝導箱電極301の表面をさらに
酸化したのち、アルミプローブ電極306を箱電極30
1とわずかに重なるように蒸着し、トンネル接合として
の酸化アルミトンネルバリア307を形成する。また、
酸化アルミ・トンネルバリア304と酸化アルミ・トン
ネルバリア307とは、幅は同一であるが、厚さが異な
っているので、図3にみる平面図では、概念上酸化アル
ミ・トンネルバリア307の幅を大きくしている。
Aluminum and niobium are used as materials. As the gate electrode 303, a normal conductive noble metal, gold, and platinum can be used separately. After the counter electrode 302 is deposited, oxygen is introduced again into the vacuum chamber to further oxidize the surface of the superconducting box electrode 301, and then the aluminum oxide tunnel barrier 304 and the aluminum oxide tunnel barrier 307 are oxidized. The probe electrode 306 is connected to the box electrode 30
Then, an aluminum oxide tunnel barrier 307 as a tunnel junction is formed by vapor deposition so as to slightly overlap with 1. Also,
The aluminum oxide tunnel barrier 304 and the aluminum oxide tunnel barrier 307 have the same width but different thicknesses. Therefore, in the plan view shown in FIG. 3, the width of the aluminum oxide tunnel barrier 307 is conceptually reduced. I'm making it big.

【0031】つぎに、図4は素子の製造過程の一例をし
めすものである。図3に示す量子演算素子を作製する例
を示している。トンネルバリア404,406の形成は
以下のように行なわれる。まずマスク407を通して、
超伝導箱電極401を蒸着した後、蒸着装置の真空室の
中に、酸素あるいは酸素10%とアルゴンの混合ガスを
導入し、表面を酸化する。ゲート電極403がアルミ電
極の場合、表面に酸化アルミの絶縁膜が形成される。ニ
オブ電極の場合、表面にあらかじめ薄くアルミを蒸着し
ておいて、そのアルミを酸化する。
FIG. 4 shows an example of a manufacturing process of the device. 4 illustrates an example of manufacturing the quantum operation device illustrated in FIG. 3. The formation of the tunnel barriers 404 and 406 is performed as follows. First, through the mask 407,
After depositing the superconducting box electrode 401, oxygen or a mixed gas of 10% oxygen and argon is introduced into the vacuum chamber of the deposition apparatus to oxidize the surface. When the gate electrode 403 is an aluminum electrode, an aluminum oxide insulating film is formed on the surface. In the case of a niobium electrode, aluminum is thinly vapor-deposited on the surface in advance, and the aluminum is oxidized.

【0032】次に、マスクを通して対向電極402を超
伝導箱電極401の表面にわずかに重なるように、異な
る角度から蒸着する。その重なり部分に挟まれた酸化ア
ルミがトンネルバリアになり、トンネル接合404が形
成される。プローブ電極405側のトンネルバリアは、
EJ>>hΓを満たすために厚いことが望ましいので、
対向電極402の蒸着後に、もう一度酸素を真空室に導
入し、超伝導箱電極401表面をさらに酸化したのち、
プローブ電極405を超伝導箱電極401とわずかに重
なるように蒸着し、トンネル接合406を形成する。正
面を含む異なる角度から3回の蒸着工程を示したのが、
図4の下側の図である。マスクパターン407と絶縁体
基板間の距離を設け、所定の角度で正面、斜め上、反対
側からそれぞれ蒸着することにより、図3に示す量子演
算素子を形成することができる。
Next, the counter electrode 402 is deposited from different angles through the mask so as to slightly overlap the surface of the superconducting box electrode 401. The aluminum oxide sandwiched between the overlapping portions serves as a tunnel barrier, and a tunnel junction 404 is formed. The tunnel barrier on the probe electrode 405 side is
EJ >> hΓ is desirable to satisfy
After the counter electrode 402 is deposited, oxygen is introduced again into the vacuum chamber, and the surface of the superconducting box electrode 401 is further oxidized.
The probe electrode 405 is deposited so as to slightly overlap the superconducting box electrode 401 to form a tunnel junction 406. The three deposition processes from different angles including the front were shown.
It is a figure of the lower side of FIG. By providing a distance between the mask pattern 407 and the insulator substrate and vapor-depositing at a predetermined angle from the front, obliquely above, and the opposite side, the quantum operation device shown in FIG. 3 can be formed.

【0033】また、他にも、EJ>>hΓを満たすため
の方法として、プローブ接合の面積を量子ビットのトン
ネル接合よりも小さくする、対向電極のみに超伝導ギャ
ップの大きい材料たとえばニオブを用いてEJを大きく
する方法もある。ゲート電極403は、これらの過程の
前に別の蒸着工程で用意しておくことも可能であるし、
上記の工程と同時に蒸着することもできる。マスク上に
付着した金属をリフトオフにより取り除くことにより、
本発明の超伝導量子演算素子が得られる。
As another method for satisfying EJ >> hΓ, a material having a large superconducting gap, such as niobium, is used only for the counter electrode so that the area of the probe junction is smaller than that of the tunnel junction of the qubit. There is also a method of increasing EJ. The gate electrode 403 can be prepared in another deposition step before these steps,
The vapor deposition can be performed simultaneously with the above steps. By removing the metal adhering to the mask by lift-off,
The superconducting quantum operation device of the present invention is obtained.

【0034】[0034]

【発明の効果】本発明によれば、結果を直流電流信号と
して取り出すことができるため、高速の電圧操作や高速
信号の取り出しが不要になるので、演算結果の読み出し
が簡単になる。
According to the present invention, the result can be taken out as a direct current signal, so that it is not necessary to operate a high-speed voltage or take out a high-speed signal, so that the operation result can be read out easily.

【0035】また、読み出し回路として単一電子トラン
ジスタを用いずに、量子ビットにトンネルバリアを挟ん
で直結したプローブ電極へのトンネリングを出力として
取り出すことができるので、読み出し回路の構成の単純
化が可能で、配線数を低減することができる。
In addition, since the tunneling to the probe electrode directly connected to the qubit via a tunnel barrier can be taken out as an output without using a single electron transistor as the readout circuit, the structure of the readout circuit can be simplified. Thus, the number of wirings can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の構成の回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram of the configuration of the present invention.

【図2】本発明の動作の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the operation of the present invention.

【図3】本発明の実施例の上面図である。FIG. 3 is a top view of the embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施例の素子の製造方法の説明図であ
る。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a method for manufacturing a device according to an example of the present invention.

【図5】従来の超伝導量子ビットとその読み出し回路の
回路図である。
FIG. 5 is a circuit diagram of a conventional superconducting qubit and its readout circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 超伝導箱電極 102 対向電極 103 ゲート電極 104 トンネルバリア 105 ゲート容量 106 プローブ電極 107 トンネルバリア 301 アルミ箱電極 302 アルミ対向電極 303 アルミゲート電極 304 酸化アルミトンネルバリア 305 絶縁体基板 306 アルミプローブ電極 307 酸化アルミトンネルバリア 401 超伝導箱電極 402 対向電極 403 ゲート電極 404 トンネル接合 405 プローブ電極 406 トンネル接合 407 マスクパターン 501 超伝導箱電極 502 対向電極 503 ゲート電極 504 トンネルバリア 505 ゲート容量 506 読み出し容量 507 島電極 508 ソース電極 509 ドレイン電極 510 ゲート電極 511 トンネルバリア 512 ゲート容量 101 Superconducting box electrode 102 Counter electrode 103 Gate electrode 104 Tunnel barrier 105 Gate capacitance 106 Probe electrode 107 Tunnel barrier 301 Aluminum box electrode 302 Aluminum counter electrode 303 Aluminum gate electrode 304 Aluminum oxide tunnel barrier 305 Insulator substrate 306 Aluminum probe electrode 307 Oxidation Aluminum tunnel barrier 401 Superconducting box electrode 402 Counter electrode 403 Gate electrode 404 Tunnel junction 405 Probe electrode 406 Tunnel junction 407 Mask pattern 501 Superconducting box electrode 502 Counter electrode 503 Gate electrode 504 Tunnel barrier 505 Gate capacitance 506 Read capacitance 507 Island electrode 508 Source electrode 509 Drain electrode 510 Gate electrode 511 Tunnel barrier 512 Gate capacitance

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 量子箱電極と対向電極が第一のトンネル
バリアを挟んで結合した量子ビット構造と、前記量子箱
電極と静電容量を介して結合したゲート電極と、前記量
子箱電極と第二のトンネルバリアを介して結合したプロ
ーブ電極とを含み、量子ビットにおける前記第一のトン
ネルバリアを介したコヒーレント振動時間が前記第二の
トンネルバリアを介したキャリアトンネル緩和時間より
短いことを特徴とする量子演算素子。
A qubit structure in which a quantum box electrode and a counter electrode are coupled with a first tunnel barrier interposed therebetween; a gate electrode coupled to the quantum box electrode via a capacitance; A probe electrode coupled through a second tunnel barrier, wherein a coherent oscillation time of the qubit through the first tunnel barrier is shorter than a carrier tunnel relaxation time through the second tunnel barrier. Quantum operation device.
【請求項2】 請求項1に記載の量子演算素子におい
て、前記第一のトンネルバリアの厚さが前記第二のトン
ネルバリアの厚さより薄いことを特徴とする量子演算素
子。
2. The quantum operation device according to claim 1, wherein a thickness of said first tunnel barrier is smaller than a thickness of said second tunnel barrier.
【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載の量子演算
素子において、前記第一のトンネルバリアの面積が前記
第二のトンネルバリアの面積より広いことを特徴とする
量子演算素子。
3. The quantum operation device according to claim 1, wherein an area of the first tunnel barrier is larger than an area of the second tunnel barrier.
【請求項4】 請求項1又は、2、3に記載の量子演算
素子において、前記量子箱電極、及び前記対向電極が超
伝導体で構成されることを特徴とする量子演算素子。
4. The quantum operation device according to claim 1, wherein said quantum box electrode and said counter electrode are made of a superconductor.
【請求項5】 請求項4に記載の量子演算素子におい
て、前記対向電極の超伝導ギャップエネルギーが前記量
子箱電極の超伝導ギャップエネルギーより大きいことを
特徴とする量子演算素子。
5. The quantum operation device according to claim 4, wherein a superconducting gap energy of said counter electrode is larger than a superconducting gap energy of said quantum box electrode.
【請求項6】 量子箱電極と対向電極が第一のトンネル
バリアを挟んで結合した量子ビット構造と、前記量子箱
電極と静電容量を介して結合したゲート電極と、前記量
子箱電極と第二のトンネルバリアを介して結合したプロ
ーブ電極とを含み、前記第一のトンネルバリアの厚さが
前記第二のトンネルバリアの厚さより薄いことを特徴と
する量子演算素子。
6. A qubit structure in which a quantum box electrode and a counter electrode are coupled with a first tunnel barrier interposed therebetween, a gate electrode coupled to the quantum box electrode via a capacitance, A probe electrode coupled through two tunnel barriers, wherein the thickness of the first tunnel barrier is smaller than the thickness of the second tunnel barrier.
【請求項7】 量子箱電極と対向電極が第一のトンネル
バリアを挟んで結合した量子ビット構造と、前記量子箱
電極と静電容量を介して結合したゲート電極と、前記量
子箱電極と第二のトンネルバリアを介して結合したプロ
ーブ電極とを含み、前記第一のトンネルバリアの面積が
前記第二のトンネルバリアの面積より広いことを特徴と
する量子演算素子。
7. A qubit structure in which a quantum box electrode and a counter electrode are coupled with a first tunnel barrier interposed therebetween; a gate electrode coupled to the quantum box electrode via a capacitance; And a probe electrode coupled via two tunnel barriers, wherein the area of the first tunnel barrier is larger than the area of the second tunnel barrier.
【請求項8】 量子箱電極と対向電極が第一のトンネル
バリアを挟んで結合した量子ビット構造と、前記量子箱
電極と静電容量を介して結合したゲート電極と、前記量
子箱電極と第二のトンネルバリアを介して結合したプロ
ーブ電極とを含む量子演算素子を製造する量子演算素子
の製造方法において、前記第二のトンネルバリアの実現
に、前記第一のトンネルバリア形成工程で設けたトンネ
ルバリア膜に選択的にトンネルバリア膜を重ねることを
特徴とする量子演算素子の製造方法。
8. A qubit structure in which a quantum box electrode and a counter electrode are coupled via a first tunnel barrier, a gate electrode coupled to the quantum box electrode via a capacitance, A method for manufacturing a quantum operation device including a probe electrode coupled via a second tunnel barrier, wherein the tunnel provided in the first tunnel barrier forming step is used to realize the second tunnel barrier. A method for manufacturing a quantum operation device, comprising selectively stacking a tunnel barrier film on a barrier film.
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