JP2003519927A - ｓ波超伝導体とｄ波超伝導体との間のジョセフソン接合を用いた量子ビット - Google Patents

ｓ波超伝導体とｄ波超伝導体との間のジョセフソン接合を用いた量子ビット

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JP2003519927A
JP2003519927A JP2001550814A JP2001550814A JP2003519927A JP 2003519927 A JP2003519927 A JP 2003519927A JP 2001550814 A JP2001550814 A JP 2001550814A JP 2001550814 A JP2001550814 A JP 2001550814A JP 2003519927 A JP2003519927 A JP 2003519927A
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Abstract

(57)【要約】 固体状態の量子コンピュータ構造がアイランドのセットを有し、ジョセフソン接合がアイランドと第１の超伝導体バンクとを隔離している。d波超伝導体はジョセフソン接合の一方の側に存在し（アイランド若しくはバンク側の何れか）、またs波超伝導体がジョセフソン接合の反対側を形成している。d波超伝導体は各々の接合部に於ける超伝導電流の基底状態を二重に縮重させ、２つの超伝導電流基底状態が明確な磁気モーメントを有する。接合部に於ける超伝導電流のこれらの量子状態が、量子計算機のためのキュービットを生成する。量子状態はバンクより一様に初期化され得り、バンクに対するアイランドの結晶軸方向は基底状態に於ける初期的な量子状態及びトンネル効果の確率に影響を与える。ジョセフソン接合によって第１のバンクと隔離される第２のバンクが、異なった量子状態の１つ若しくは複数の超伝導電流を選択的に初期化するために、単一電子トランジスタを介してアイランドへと接続され得る。単一の電子トランジスタは、量子状態が発展する間、エンタングルメントを制御する目的でアイランドの間にもまた存在してよい。計算を完了させるために量子状態が発展した後、例えば別の電子トランジスタセットを介してアイランドをアースすることが、限定された磁気モーメントを有する状態へと接合部を固定し、量子計算の結果を決定する場合に超伝導電流の測定を容易にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （関連出願のクロスリファレンス） 本文書は米国特許出願番号09/452,749"Permanent Readout Superconducting Q
ubit."に関連し、ここに参照することでその全てを本願の一部とする。
【０００２】 （発明の所属する分野） 本発明は量子計算に関し、量子計算に要求されるようなコヒーレントな量子状
態を生成し維持するために超伝導体材料を用いる固体状態素子に関する。
【０００３】 （技術背景） 現在の、量子計算と呼ばれるものに関する研究は、Richard Feynman, [R. Fey
nman, Int. J. Theor. Phys., 21,467-488 (1982)]まで遡る。Feynmanは、量子
系は本来、従来方式のコンピュータをシミュレートすることが困難であるが、量
子系の発展を観察することで、コンピュータを利用する複数の問題を解決するた
めのさらに高速な方法を提供しうると言及した。とりわけ量子系の振る舞い（be
havior）のための理論を説くことは、通常は量子系のハミルトニアンに関する微
分方程式を解くことを必要とする。量子系の振る舞いを観察することが、方程式
に対する解法に関係する情報を提供する。
【０００４】 初期的は、量子計算法に於ける更なる努力は、”ソフトウェア開発”又は量子
計算法の形式的理論の構築に注がれた。量子計算法のためのソフトウェアは、量
子系のハミルトニアンを、解を要求する問題に対応させようと試みる。それらの
試みに於ける一里塚は、Shorアルゴリズム及びGroverアルゴリズムの発見であっ
た。（P. Shor, SIAM J. of Comput., 26: 5,1484-1509 (1997)、L. Grover, Pr
oc. 28th STOC, 212-219 (1996)、及び A. Kitaev, LANL preprint quant-ph/95
11026 (1995)を参照して頂きたい。）とりわけShorアルゴリズムは、量子コンピ
ュータが自然数を因数分解することを可能とするものである。誤り許容量子計算
法（fault-tolerant quantum computation）が理論上可能であることを示すこと
は、量子コンピュータの実用的な実現に於ける試みに道を開くものである。（ E
. Knill, R. Laflamme及びW. Zurek, Science, 279, p. 342 (1998)を参照して
頂きたい。） 提唱されている量子コンピュータの一適用例は、大きな自然数の因数分解であ
る。そのような適用例では、量子コンピュータは”公開鍵”方法を用いる旧式の
全ての現存する暗号スキームをレンダリングすることが可能である。別の適用例
では、量子コンピュータ（より小さな寸法の素子、量子リピーター）が、原則的
にメッセージがプロセス中で破壊されず、妨害されることのない、完全に安全な
通信チャネルを可能とし得る。（H. J. Briegelら LANL preprint quant-ph/980
3056 (1998)を参照して頂きたい。） 量子コンピュータは、一般的にはＮ個のキュービット（量子ビット）の状態を
初期化する過程と、Ｎ個のキュービットの間の制御されたエンタングルメントを
生成する過程と、キュービットの量子状態がエンタングルメントの影響下で発展
することを可能とする過程と、それらが発展した後にキュービットを読み出す過
程とを有する。従来、キュービットは、２つの縮重した量子状態を有する系であ
り、典型的にキュービットの初期状態は何れかの縮重状態の中で発見される０で
ない確率を有している。そのような訳で、Ｎ個のキュービットが２Ｎ個の縮重状
態の組み合わせである初期状態を定める。エンタングルメントは識別可能な量子
状態の発展を制御し、量子状態の発展は実行する計算を定める。発展が完了した
後にキュービットを読み出すことがキュービットの状態を確定し、計算の結果を
確定する。
【０００５】 複数の物理系が量子コンピュータに於けるキュービットのために提案されてき
た。或る系は縮重スピン状態を有する化学物質を用いる。核磁気共鳴法（ＮＭＲ
）技術が、スピン状態を読み出し得る。それらのシステムは自然数（１５）の因
数分解のためのShorのアルゴリズムを首尾良く実行してきた。しかし、商業的に
有用な数のキュービットにまでそのようなシステムを展開させる事は困難である
。
【０００６】 キュービットを実行するための別の物理系は、超伝導体リザーバー、超伝導体
アイランド、及び前記リザーバーより前記アイランドへ向けてクーパー対（電子
）を透過させ得るダーティーなジョセフソン接合を有する。アイランドは、２つ
の縮重状態を有している。一方の状態は電気的に中性であるが、他方の状態はア
イランド上に余分のクーパー対を有する。このシステムに関する問題は、余分ク
ーパー対を有する状態のアイランドの電荷が、ロングレンジの電気的な相互作用
を生じさせ、前記相互作用がキュービットの状態のコヒーレンスに影響を与える
ということである。電子の相互作用が、余分のクーパー対を明確に有する状態又
は欠く状態へアイランドを強制させうる。従って、電気的な相互作用が、計算が
完了しまたキュービットが読み出される前に、状態の発展を終了させ得る。この
現象は、波動関数の崩壊、コヒーレンスの喪失、若しくはデコヒーレンスとして
通常参照される。
【０００７】 研究は継続中であり、有用な計算を実行するために十分な数のキュービットを
有する量子コンピュータを実行する構造が追い求められている。
【０００８】 （発明の開示） 本発明によれば、量子ビットは超伝導体アイランドを有し、ジョセフソン接合
が前記アイランドと超伝導体バンクとを隔離している。アイランド及びバンクの
一方は、d波超伝導体であり、アイランド及びバンクの他方はs波超伝導体である
。従って、基底状態の電流がジョセフソン接合中に流れる。ジョセフソン接合に
於ける基底状態の超伝導電流は、２つの状態を区別する超伝導電流によって生成
された磁気モーメントで二重に縮重されている。バンクに対するアイランドの結
晶方向は、接合部にかかる秩序パラメータに於ける平衡位相差を制御し、それに
よって基底状態間のトンネル効果の確率を制御する。
【０００９】 アイランドに関連する超伝導電流を読み出すために、単一の電子トランジスタ
（SET）若しくはパリティキーがアイランドとアースとを接続し得る。SETが通電
するためにバイアスされると、SETを通る電流が超伝導電流状態を固定磁気モー
メントを有する状態へと崩壊させ、超伝導電流をそのような状態に固定する。そ
のような訳で、計算の終了に際し、制御回路は通電のためにSETをバイアスし、
またジョセフソン接合に於ける磁気モーメントが特定の状態で固定され、信頼性
をもって読み出し可能となる。
【００１０】 量子レジスタを形成するために、複数のジョセフソン接合が各々の超伝導体ア
イランドと超伝導体バンクとを結合させ得り、バンクを通る電流が接合部に於け
る超伝導電流の量子状態を初期化し得る。単一の電子トランジスタ（SET）若し
くはパリティキーが、量子計算に要求されるように制御されたエンタングルメン
トを生成するため、アイランドに相互に接続される。計算の終了の後、別のSET
若しくはパリティキーがアイランドとアースとを接続し、ジョセフソン接合に於
ける超伝導電流を凍結させ一定の磁気モーメントを有する状態にする。この凍結
が、ローカルの磁気モーメント即ち磁束線を測定する、次の読み出し操作のため
の状態を維持する。
【００１１】 本発明の一つの実施例は、量子コヒーラ若しくは量子レジスタのような量子計
算構造であって、それは超伝導体材料のバンク及びアイランドを有し、アイラン
ド及びバンクの１つがd波超伝導体であることを特徴とする。ジョセフソン接合
に於ける常伝導体はバンク及びアイランドの間に存在する。任意に、単一の電子
トランジスタ（SET）若しくはパリティキーがアイランド及びアースの間に存在
する。SETが導電状態である場合、接合部分を通る超伝導電流の方向が固定され
、SETが導電状態でない場合は発展する。別の選択肢として、構造はまた超伝導
体の第２のバンクを有し、第１のバンク及び第２のバンクの間にジョセフソン接
合が含まれる。第２のバンクとアイランドとの間のSETの動作は、第１若しくは
第２のバンクに於ける秩序パラメータの位相によって超伝導電流の量子状態を選
択的に初期化する。
【００１２】 本発明の別の実施例は、超伝導体材料のバンクと、超伝導体材料の複数のアイ
ランドと、複数のジョセフソン接合とを有する量子レジスタである。各々のジョ
セフソン接合はアイランドの対応する１つとバンクとの間に存在する。アイラン
ド及びバンクの１つはd波超伝導体を含む。アイランド及びバンクの他方はs波超
伝導体を含む。量子レジスタは、任意に３つのセットのSETを含む。第１のセッ
トの各々のSETは、アースとアイランドの対応する１つとの間に存在する。第２
のセットの各々のSETは、アイランドの対応する対の間に存在する。第３のセッ
トに於ける各々のSETは、第２のバンクとアイランドの対応する１つとの間に存
在する。ジョセフソン接合は、第１及び第２のバンクの間に秩序パラメータの位
相差を生み出す。第２のバンク及び第３のSETのセットは、第２のバンクの位相
による接合部における超伝導電流の選択的な初期化のために用いられてもよい。
【００１３】 本発明の別の実施例によれば、量子計算方法は、バンク及びアイランドを超伝
導状態にして、システムに於けるデコヒーレンスな過程を抑制する温度までバン
ク及びアイランドを有する構造を冷却する。構造は、アイランド及びバンクの間
にジョセフソン接合を有する。構造が適切な温度になった後、方法は量子状態に
於ける接合部での超伝導電流を確立させる。量子状態は第１の磁気モーメントを
有する第１の状態と第２の磁気モーメントを有する第２状態との混合状態である
。接合部に於ける超伝導電流は構造中でd波超伝導体の使用より発生する基底状
態の電流であり、バンクに電流を流すことでセットされてもよい。第１及び第２
の基底状態間のトンネル効果の確率に従って、量子状態が発展する。この発展が
量子計算を実行する。接合部での超伝導電流による測定磁気モーメント又は磁束
線を決定することが、量子計算の結果を決定する。
【００１４】 本発明の別の側面によれば、測定された磁気モーメントの決定は、第１若しく
は第２の状態の超伝導電流を固定するためにアイランドをアースする過程と、ア
イランドがアースされる間に超伝導電流によって生成される磁束線を測定する過
程とを含む。
【００１５】 典型的には、量子レジスタは更に複数のアイランド及び複数の接合部分を有し
、各々の接合部分はバンク及び対応するアイランドの間に存在するクリーンなジ
ョセフソン接合である。接合部に於ける超伝導電流の量子状態はアイランドを共
に結合させるトランジスタの電気伝導度により発展する。それらのトランジスタ
はアイランドの量子状態のエンタングルメントを生成する。量子レジスタの製造
が、アイランドのために所望とされる初期的な量子状態に従った結晶軸方向を各
々のアイランドのために選択し得る。
【００１６】 （発明の詳細な説明） 本発明の一側面によれば、量子計算は、ＤＤ、ＤＮＤ、もしくはＳＮＤジョセ
フソン接合における超伝導電流の縮重（degenerate）基底状態に基づく量子ビッ
ト（キュービット）を用いる。ジョセフソン接合は、ソリッドステート構造で有
効な数、製造されてもよい。ジョセフソン接合は、接合の少なくとも１つの側面
上にｄ波超伝導体を有して、接合の近辺に非−ゼロ基底状態超伝導電流を有する
。この基底状態超伝導電流は、ｄ波超伝導体の選択（ａｂ−）平面内では、時計
回り若しくは反時計回りの何れかである。各々のジョセフソン接合近辺における
基底状態超伝導電流は、それゆえ二重に縮重（degenerate）され、本発明の実施
例による量子計算機のための量子コヒーラ若しくは量子ビットの根本原理を提供
する。
【００１７】 図１は、本発明の実施例による量子コヒーラ１００の平面図である。量子コヒ
ーラ１００は、量子ビット構成の基本ブロックを提供するが、またソリッドステ
ートシステム中の巨視的な量子トンネル効果及びインコヒーレントな量子ノイズ
を実証可能である独立素子であってもよい。以下に詳細に述べられるように、一
組の独立量子コヒーラにおける巨視的な量子トンネル効果は、零相関（Zero Cor
relation）を伴う任意の列（series）を生成する任意の数のジェネレータを構成
しうる。
【００１８】 量子コヒーラ１００は、大きな超伝導バンク１１０と絶縁された基板１４０上
に形成されている中間視的超伝導体アイランド１２０との間に、ジョセフソン接
合１３０を有する。バンク１１０及びアイランド１２０の少なくとも１つが、例
えばＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ高−Ｔｃ銅塩、またはいかなる超伝導体でもよいｄ
波超伝導体であり、その内部のクーパー対は非ゼロの軌道角運動量を有する状態
である。本発明の第１実施例では、バンク１１０及びアイランド１２０の双方が
ｄ波超伝導体よりなる。この実施例において、接合部１３０は、接合が通電する
部分（例えば常伝導層もしくは粒界）でクリーンであり、散乱部位を欠いている
。以下に更に詳しく述べられるように、ｄ波超伝導体バンク１１０及びｄ波超伝
導体アイランド１２０との間の粒界が、ジョセフソン接合１３０を生成し得る。
【００１９】 第２実施例においては、バンク１１０がニオビウム（Ｎｂ）のようなｓ波超伝
導体材料であり、アイランド１２０はｄ波超伝導体である。第３実施例において
は、バンク１１０がｄ波超伝導体材料であり、アイランド１２０がｓ波超伝導体
である。第２及び第３実施例では、接合１３０がバンク１１０とアイランド１２
０との間に常伝導体を有する。常伝導体は、ｄ波及びｓ波超伝導体の双方に有効
な接合を形成するようなどのような導電性材料であってもよく、大きな弾性散乱
長を有してもよく、また量子コヒーラ１００の動作温度（典型的には、約１０゜
Ｋから約１゜Ｋの間）で常伝導体として存在しうる。接合１３０の好適な常伝導
体には、とりわけ、金（Ａｕ）が適している。
【００２０】 実施例中ではバンク１１０は、長さ及び幅が約１μｍ、若しくはそれより大き
い超伝導体材料チップである。バンク１１０の厚さは重要ではないが、普通は中
間視的なアイランド１２０の厚さを越えることはない。アイランド１２０は中間
視的（即ち、１つの過剰クーパー対が目立つ寸法）であり、典型的には幅Ｗが約
０．２μｍ若しくはそれよりも小さく、長さＬが約０．５μｍ若しくはそれより
も小さく、厚さは約０．２μｍ若しくはそれよりも小さい。
【００２１】 量子コヒーラ１００は、集積回路製造分野で一般的なパターン技術を用いて形
成され得る。バンク１１０及びアイランド１２０の双方がｄ波超伝導体であるよ
うな第１の実施例では、基板１４０は、KagakuGijutsu-sha (Tokyo, Japan)より
入手可能なチタン酸ストロンチウム バイクリスタル基板のような、バイクリス
タル基板である。製造工程は、基板１４０上に、約０．２μｍの厚さを有する高
−Ｔｃ銅塩のフィルムを成長させることで開始される。高−Ｔｃ銅塩フィルム領
域は、下部の基板１４０とは異なった結晶方向を引継ぎ、２つの異なった領域間
に粒界が形成される。そのようなフィルムは、基板１４０上に高−Ｔｃ銅塩をス
パッタリングするためのレーザビームを用いるパルスレーザ被膜で成長されても
よい。フォトリソプロセスは、次に、フィルムをマスキングまたエッチングし、
バンク１１０の近辺に（典型的には複数のアイランドの１つとして）アイランド
１２０を形成する。所望の小さなサイズのアイランド１２０のために、エッチン
グ若しくはパターンプロセスがｄ波超伝導体の一部を取り除き、所望の寸法でア
イランド１２０を残すために、電子ビームを用いてもよい。Il'ichevら (cond-m
at/9811017, p.2)が高−Ｔｃ銅塩を用いた既知の製造技術について記述しており
、ここに参照したことでそのすべてを本願の一部とする。
【００２２】 第２及び第３の実施例においては、バンク１１０若しくはアイランド１２０の
１つがｓ波超伝導体であり、製造工程は基板１４０上にｄ波超伝導体のフィルム
を皮膜させることで開始される。フィルムは、（必要があれば）エッチングされ
、ｄ波超伝導体の境界線を、バンク１１０又はアイランド１２０の所望とする境
界線まで限定する。代替例として、バンク１１０若しくはアイランド１２０がバ
ルクのｄ波フィルムからエッチングされてもよい。金のような常伝導体が被膜さ
れ、接合部１３０のために材料を残存させるべくパターン化される。最終的には
、ｓ波超伝導体のフィルムが被膜され、バンク１１０又はアイランド１２０のた
めにｓ波超伝導体の境界線を限定するために（必要ならば）パターン化される。
【００２３】 動作のために、量子コヒーラ１００は約１０゜Ｋより低い温度まで冷却され、
バンク１１０及びアイランド１２０は超伝導状態になり、ジョセフソン接合１３
０が動作可能となる。量子コヒーラ１００の動作温度は、デコヒーレンス（deco
herence）熱源を抑制する目的で、ｄ波超伝導体の超伝導性のための限界温度よ
り遙かに低い。とりわけ、低い温度が非弾性散乱に基づくデコヒーレンスプロセ
スを抑制する。量子コヒーラ１００がｓ波超伝導体を有する場合、動作温度は、
ｓ波超伝導体の遷移（transition）温度よりも低く（例えば純粋なニオビウムに
対しては９．２５゜Ｋよりも低く）なる。
【００２４】 接合部１３０において、ｄ波超伝導体は基底状態における非ゼロの超伝導電流
を引き起こし、外部電磁波が適用されない場合、超伝導電流の基底状態は２倍に
縮重している。基底状態エネルギー及び限定的磁気モーメントを有する２つの縮
重状態は、バンク１１０及び／またはアイランド１２０の結晶構造の選択平面上
でジョセフソン接合１３０を通って時計回りまた反時計回り方向に旋回する微細
な超伝導電流に対応している。交差接合部１３０が超伝導電流の状態または方向
を示す場合、例えば超伝導に関するビンツブルグ−ランダルの理論のような電流
の理論的記述に従って、秩序パラメータΨが超伝導体における超伝導電流を示し
、また秩序パラメータでΔφは位相差を示す。アイランド１２０における超伝導
電流に関する２つの状態が、以下に述べるような量子計算を可能とする。
【００２５】 コヒーラ１００が約１０゜Ｋより低い温度で動作し、バンク１１０及びアイラ
ンド１２０が超伝導状態になり、熱励起がアイランド１２０における超伝導電流
の量子状態のコヒーレンスを妨げない。外部回路（図示せず）が、電流をバンク
１１０で通過させ、左若しくは右へと向ける電場を生成し得る。前記電流は、接
合部１３０における時計回りまたは反時計回りの超伝導電流の既知の重ね合わせ
に対応する量子状態へと、量子コヒーラを初期化する。代わりに、磁場の一時的
な適用が、２つの基底状態エネルギーにおける縮重を一時的に破壊することで、
アイランド１２０の状態を初期化してもよい。基底状態間の連続的量子トンネル
効果は、アイランド１２０の状態を発展（evolve）させる。
【００２６】 第１の実施例において、アイランド１２０はバンク１３０のそれとは異なる結
晶軸方向を有するｄ波超伝導体である。ジョセフソン接合がクリーン接合である
ので、結晶軸方向における差異は、接合部の秩序パラメータΨ中の平衡位相差Δ
φの大きさを決定する第１の因子であり、位相差の大きさΔφが典型的なトンネ
ル効果接合のケースであるπ／２に制限されることはない。（接合の２つの縮重
状態は、おのおのプラス及びマイナス位相差Δφに対応している。）従って、バ
ンク１１０及びアイランド１２０の間の格子ミスマッチの選択が、位相差Δφを
選択する。このことは、格子ミスマッチを選択することが指数関数的な広いレン
ジを有する基底状態間のトンネル効果速度選択を可能とし、位相差Δφをより大
きく、又は小さくする。
【００２７】 クリーン接合を有する別の利点は、結晶軸方向の差（即ちΔφ）が、アイラン
ド１２０上に余剰電荷を含む状態にある低い確率を有するように、基底状態を制
限し得ることである。そのようなわけでアイランド１２０の状態は、周囲との弱
い静電相互作用を有する。このことが、アイランド１２０の状態におけるデコヒ
ーレンスのソースを減少させまたは除去し、アイランド１２０の状態が、波動関
数の崩壊を伴うことなく比較的長い時間に渡って発展し続けてもよい。ジョセフ
ソン接合１３０における自発的な超伝導電流が自発的な磁化を生み出し、電流及
び磁化の向きが量子コヒーラ１００の運動量子状態を識別する。しかし、周辺と
の磁気反応はデコヒーレンスを伴う重大な問題を回避するには弱すぎる。
【００２８】 量子コヒーラ１００におけるジョセフソン接合１３０の構造即ち構成は、超伝
導の秩序パラメータ中で位相差Δφの選択を容易にする様々な方法で変化しても
よい。図１Ｂは、本発明の別の実施例による量子コヒーラ１００Ｂの平面図であ
る。量子コヒーラ１１０Ｂは、中間視的アイランド１２０とバンク１１０とを隔
離するジョセフソン接合１３０Ｂを含む。ジョセフソン接合１３０Ｂは、典型的
には、バンク１１０及びアイランド１２０の一方がｓ波超伝導体であり、他方が
ｄ波超伝導体であるような本発明の実施例に適している。バンク１１０、アイラ
ンド１２０、及び接合部１３０Ｂは、各々図１Ａのバンク１１０、アイランド１
２０、及び接合１３０で上述されたのと同一規則で形成される。
【００２９】 量子コヒーラ１００Ｂは、接合部１３０Ｂにかかるバンク１１０に対するアイ
ランド１２０の結晶軸方向が、量子コヒーラ１００とは異なる。ｄ波超伝導体の
Ａ−Ｂ平面が図１Ｂに示されている。コヒーラ１００Ｂでは、接合部１３０Ｂが
３つの領域、Ｓ１、Ｓ２及びＳ３を有しており、領域Ｓ１にかかるバンク１１０
及びアイランド１２０の相対的な結晶軸方向は、領域Ｓ２及びＳ３にかかる相対
的結晶軸方向とは異なっている。領域Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３の長さは、接合２１
３にかかる超伝導秩序パラメータにおける平衡位相差、及び基底状態超伝導電流
の磁束線の大きさを調整するために変化しうる。
【００３０】 図１Ｃは、別の水平量子コヒーラ１００Ｃの平面図を表しており、そこではジ
ョセフソン接合１３０Ｃが、領域にかかる異なった結晶軸方向を有する領域Ｓ１
及びＳ２を含む。コヒーラ１００Ｂと同様に、アイランド１２０の向きの変更と
領域Ｓ１及びＳ２の長さの変更とが、バンク１１０及びアイランド１２０の間の
超伝導体の秩序パラメータ中の位相差を調整し得る。
【００３１】 接合１３０の断面図はまた、複数の代替構成を有する。図２Ａは、バンク１１
０及びアイランド１２０の双方がd波超伝導体であり、粒界面がジョセフソン接
合１３０形成するような水平量子コヒーラの断面図を示す。図２Ｂは、バンク１
１０及びアイランド１２０の間の常伝導体がジョセフソン接合１３０を形成する
ような、水平量子コヒーラの断面図を示す。常伝導体は、バンク１１０及びアイ
ランド１２０の双方がd波超伝導体であるか、バンク１１０及びアイランド１２
０の一方がｓ波超伝導体であるような場合に適している。
【００３２】 図２Ｃは、ジョセフソン接合１３０の表面が、d波超伝導体に於ける超伝導電
流の選択平面（ab−平面）に対して垂直であることを要求されないことを示して
いる。図２Ｃに於いて、接合１３０はd波超伝導体のc方向に対して或る角度をな
して存在する。通常、高Tc超伝導体の成長または基板１４０上のd波超伝導体フ
ィルムの被膜のための電流技術は、基板１４０の表面に対しd波超伝導体のab−
平面を平行に保ち、c方向を表面に対して垂直にする。フィルムの従来方式での
パターン化は、c方向に平行なエッジ部分を生成する。しかし、ビームの方向に
対し基板１４０を或る角度にする電子ビームエッチングのような異方性エッチン
グプロセスは、d波フィルムのエッジとc方向との間に０度ではない角度を生成し
得る。この角度が、超伝導性秩序パラメータ中の所望とする位相差Δφを生成す
る構成を選択する点で自由度を提供する。
【００３３】 図３Ａ及び３Ｂは各々、本発明の実施例による垂直方向量子コヒーラ３００の
平面図及び断面図を示すものである。ここで量子コヒーラに対して付け加えられ
ている用語”水平”及び”垂直”は、基底状態超伝導電流の主表面を示すもので
ある。量子コヒーラ３００は、絶縁された基板３４０、超伝導バンク３１０、ジ
ョセフソン接合３３０、及び中間視的超伝導体アイランド３２０を有する。量子
コヒーラ３００の生成過程は、基板３４０上で、約０．２μm〜約０．５μmの間
の厚さになるまでd波超伝導体フィルムを成長させる。d波超伝導体フィルム上、
金のような常伝導体被膜が、約０．１μmから約０．３μmの厚さで常伝導体フィ
ルムを形成する。常伝導体フィルム上では、ニオビウムのようなs波超伝導体の
被膜が、約０．２μmより薄いs波超伝導体のフィルムを形成する。最終的に、s
波超伝導体フィルム及び常伝導体フィルムのパターン化が中間視的な超伝導体ア
イランド３２０を生成し、ジョセフソン接合３３０が超伝導体バンク３１０から
アイランド３２０を隔離している。
【００３４】 図４Ａ及び４Ｂは、各々本発明の別の実施例による、垂直方向のアーキテクチ
ャを有する量子コヒーラ４００の断面図及び平面図を示している。量子コヒーラ
４００は超伝導体バンク４１０、中間視的超伝導体アイランド４２０、及び絶縁
された基板４４０上に形成されたジョセフソン接合４３０を有する。量子コヒー
ラ４００の生成プロセスは、約０．２μmより薄い厚さまで基板４４０上にd波超
伝導体フィルムを成長させ、アイランド４２０を形成するためにフィルムをパタ
ーン化する。絶縁側壁スペーサ４５０が、次にアイランド４２０上に形成される
。そのようなスペーサは、絶縁層を被膜しパターン化することによって、または
基板４４０及びアイランド４２０上に形成されたコンフォーマル（conformal）
絶縁層を異方性エッチングする自己整列プロセスによって、従来通り形成されて
もよい。金のような常伝導層は、結果として生じる構造上に約０．１μmから約
０．３μmの厚さまで被膜され、パターン化されてジョセフソン接合４３０の通
常の導電領域を形成する。常伝導領域がアイランド４２０上に延在し、側壁スペ
ーサ４４０の少なくとも一部分上にも延在する。最終的に、s波超伝導体層が構
造上に被膜され、（必要ならば）パターン化されバンク４１０を形成する。バン
ク４１０の厚さは量子コヒーラ４００の動作に関係しない。
【００３５】 図５は本発明の別の実施例による、ハイブリッド型垂直／水平アーキテクチャ
を有する量子コヒーラ５００の断面図を示すものである。量子コヒーラ５００は
、絶縁基板５４０上に形成された、超伝導体バンク５１０、中間視的超伝導体ア
イランド５２０、及びジョセフソン接合５３０を有する。量子コヒーラ５００の
製造プロセスは、約０．２μmより薄い厚さまで基板４４０上にd波超伝導体フィ
ルムを成長させ、アイランド５２０を形成するためにフィルムをパターン化する
。パターン化は、基板５４０の表面に対して垂直若しくは所望の角度で、アイラ
ンド５２０の側面を残す。金のような常伝導層が、約０．１μmから約０．３μm
の厚さで結果的に生じる構造上に被膜され、ジョセフソン接合５３０の常伝導層
を形成するべくパターン化される。この実施例においては、常伝導領域がアイラ
ンド５２０上に延在し、またアイランド５２０の少なくとも１つの側壁と接触し
ている。最終的に、s波超伝導体の層が構造上に被膜され、バンク５１０を形成
するために（必要であれば）パターン化される。バンク５１０よりアイランド５
２０への超伝導性秩序パラメータ中の位相差は、アイランドの上面とその上のバ
ンク５１０の部分との間の相対的な結晶軸方向、及びアイランド１２０の側面及
びバンク５１０の近接する部分の相対的な結晶軸方向に依存する。
【００３６】 上述したような量子コヒーラは、複数の理由で低エネルギー熱励起の破壊効果
を回避する。とりわけ、（クーパー対の基底状態エネルギーと、より高い電子エ
ネルギー状態との間の）超伝導ギャップと、超伝導アイランド及びバンクに於け
るd波秩序パラメータの節（node）において利用可能な小さな位相ボリューム（p
hase volume）とが、低エネルギー素励起を抑制する。更には、全フェルミ面上
の有限エネルギーギャップを復元するs波超伝導の特異的な混合（admixture）の
確率が、境界近辺に存在する。接合の通常層では、秩序パラメータが抑制され、
素励起がサイズの量子化（size quantization）によってギャップを生じる。
【００３７】 量子コヒーラのある適用例は、乱数発生器である。この適用例では、量子コヒ
ーラのセットの量子状態が、各々の量子コヒーラが各々の電流方向の状態にある
のと等しい（または少なくとも既知の）確率を有する状態へと発展する。電流方
向の状態は、次に、例えば磁気力顕微鏡若しくは別の磁気プローブを用いて、各
々の量子コヒーラを観測することで決定される。各々の決定された状態（時計回
り若しくは半時計回り）はビットの値（０若しくは１）に対応しており、所定状
態の収集が、セット内の量子コヒーラ存在数と同数のビットを有する任意のバイ
ナリ値を提供する。量子論は、そのように生成された一連のビットが、相互関係
または反復を除いて任意であることを示している。
【００３８】 図６は、量子コヒーラ１００のアーキテクチャを基にした量子ビット６００の
実施例を示すものである。量子ビット６００は、本発明による量子ビットの図解
実施例であるに過ぎず、量子ビットの別の実施例が用いられてもよく、これに限
定するものではない。
【００３９】 量子ビット６００は、２つの縮重した超伝導電流基底状態間の量子トンネル効
果の凍結を可能とする外部回路と量子コヒーラ１００とを結合する。超伝導電流
の量子状態の凍結を実行するため、パリティーキー若しくは単体電子トランジス
タ（SET）６４０が、アイランド１２０へと接続され、アース（通常又は超伝導
で）されている。アイランド１２０とアースとの間の自由な電子の移動は、一定
の磁気モーメントを有する（Δφ若しくは−Δφの何れかの位相差に相当する）
基底状態の１つへと、接合１３０中の超伝導電流の波動関数を崩壊させる。（特
定位相差Δφ若しくは−Δφに対する崩壊確率は、崩壊前の基底状態に於ける確
率の大きさに依存する。）アイランド１２０は、SET６４０がアイランド１２０
とアースとを接続させ続ける間、一定の磁気モーメント状態のままであり、凍結
される間、その状態が計算結果を読み出しまた決定するために測定されうる。SE
T６４０のゲート電圧の変更が、アースへと向かう電子の流れ若しくはアースよ
りの電子の流れを遮断し得り、それによってアイランド１２０は基底状態間のト
ンネル効果速度に依って発展可能となる。
【００４０】 単一電極トランジスタ（SET）は既知であり、例えばA. Zagoskinによる"Quant
um Theory of Many-Body Processes"に記載されており、ここで言及したことで
その全てを本願の一部とする。SETは、２つのデバイス（例えばアイランド１２
０及びアース）に接続された容量性の微粒子（grain）を有する。微粒子がチャ
ージされていない場合、電子若しくはクーパー対は何れかの素子より微粒子へト
ンネルし得る。しかし微粒子は十分に小さいので、一度電子若しくはクーパー対
が微粒子上にトンネルすると、微粒子の荷電が電気的に反発し、更なる微粒子へ
のトンネル効果を妨げる。微粒子に関するゲートは微粒子電圧を変化させ得り、
トンネル効果を遮断し、さもなくばトンネル効果の速度を制御する。P. Joyezら
は、"Observation of Parity-Induced Suppression of Josephson Tunneling in
the Superconducting Single Electron Transistor"（Physical Review Letter
s, Vol. 72, No. 15,11 April 1994）に於いて、単一の電子トランジスタの動作
及び製造に関して記述しており、ここに言及したことでその全てを本願の一部と
する。
【００４１】 量子ビット６００は永久リードアウト超伝導体量子ビット（PRSQ）としてここ
に言及されている。何故なら、熱変動を除き、凍結（アースされ、また崩壊され
た）量子ビットの自発的磁束線が固定されて残留するからである。従って、リー
ドアウト素子のデコヒーレント効果が量子ビットの結果を崩壊させない場合、磁
力顕微鏡（MFM）チップ若しくは超伝導体量子干渉素子（SQUID）のループのよう
なリードアウト素子がシステムに接触してもよい。リードアウト素子は、自発的
な超伝導電流（時計回り若しくは反時計回り）がジョセフソン接合１２０の近辺
で起こるような、弱い限局的な磁場を読みとる。更に詳しくは、MFMは、表面に
渡るカンチレバーに取り付けられた微細な磁化チップをスキャンし、磁化された
先端部分上で働く機械的な力として、カンチレバーの変形を測定する。代替例と
しては、SQUIDループがジョセフソン接合１３０の近辺に存在する磁束を検出す
る。別の実行可能なリードアウトシステムでは、接合に於ける時計回り若しくは
反時計回りの電流に基づく環状の極性マイクロ波放射の吸収における差が用いら
れてもよい。
【００４２】 図７は、バンク１１０に接触した複数のアイランド１２０−１〜１２０−Ｎを
有するPRSQレジスタ７００を示す。実施例に於いて、アイランド１２０−１〜１
２０−Ｎ及びバンク１１０は、上述したように温度約１０○Ｋのd波超伝導体よ
りなる。バンク１１０と各々のアイランド１２０−１〜１２０−Ｎとの間には粒
界が存在し、各々クリーンなジョセフソン接合１３０−１〜１３０−Ｎを形成す
る。代替例としては、バンク１１０がs波超伝導体であってもよく、常伝導体（
図示せず）がアイランド１２０−１〜１２０−Ｎより分離され、ジョセフソン接
合１３０−１〜１３０−Ｎを形成する。アイランド１２０−１〜１２０−Ｎの結
晶方向がバンク１１０の結晶方向とは異なっており、バンク１１０に於ける秩序
パラメータの位相とアイランド１２０−１〜１２０−Ｎに於ける秩序パラメータ
の位相との間の、平衡位相差Δφ１〜ΔφＮを制御する。位相Δφ１〜ΔφＮは
、各々が異なってもよく全てが同一でもよい。PRSQレジスタ７００の製造は、レ
ジスタ７００の適用例に従った位相Δφ１〜ΔφＮを選択し、d波超伝導体材料
が基板上に被膜され成長する場合は所望の粒界若しくは方向を生成し得る基板を
デザインする。
【００４３】 PRSQレジスタ７００よりのリードアウトを向上させるために、SET６４０−１
〜６４０−Ｎがアイランド１２０−１〜１２０−Ｎとアースとの間に存在する。
SET６４０−１〜６４０−Ｎのスイッチを入れることで、アースと各々のアイラ
ンド１２０−１〜１２０−Ｎとの間の自由電流が、各々の接合部分１３０−１〜
１３０−Ｎに於ける超伝導電流の量子状態を崩壊又は凍結させ得る。上述の技術
で、次に量子状態が読み取られ得る。
【００４４】 レジスタ７００はまた、近接するアイランド１２０−１〜１２０−Ｎを接続す
るSET７５０−２〜７５０−Ｎを有する。SET７５０−２〜７５０−Ｎのゲートに
印加される電圧が、電流若しくはアイランドの間のトンネル効果の可能性を制御
し、それによってレジスタ７００に於ける超伝導電流量子状態における、制御可
能なエンタングルメント（entanglement）を生成する。
【００４５】 図７に於いて、アイランド１２０−１〜１２０−Ｎは線形のアレイをなし、各
々のアイランド１２０−２〜１２０−Ｎは対応するSET７５０−２〜７５０−Ｎ
を有し、それらSETは線形のアレイ中で前にあるアイランド７５０−１〜７５０
−（Ｎ−１）へと接続されている。代替の構成が可能であり、例えば追加的なSE
Tがアイランド１２０−１〜１２０−Ｎを環状に接続してもよい。別の実施例で
は、各々のアイランドが例えば量子ビットの二次元のアレイで、別のアイランド
に対し複数のSETを介して接続される。アイランドの構成及び接続は、PRSQレジ
スタ７００の機能又はプログラムに従って選択されてもよい。
【００４６】 PRSQレジスタ７００を有する量子計算機を実行するために、アイランド１２０
−１〜１２０−Ｎに対応する量子ビットの状態は、例えばバンク１１０を介して
電流を流すことで、上述されたのと同様の規則でまず初期化される。SET６４０
−１〜６４０−Ｎの全てがアースとの相互作用を妨げるべくオフにされ、SET７
５０−２〜７５０−Ｎのゲート上の電圧は所望の計算に従って調整される。SET
７５０−２〜７５０−Ｎは、PRSQレジスタ７００の基底状態間のトンネル効果を
可能とするエンタングルメントを生成する。PRSQレジスタ７００の量子状態が所
望とする計算を完了するために発達した後、SET７５０−２〜７５０−Ｎは量子
ビットを切り離すためにスイッチで切られ、次にSET６４０−１〜６４０−Ｎの
スイッチが入れられる。このことが波動関数を崩壊させ、各々のジョセフソン接
合１３０−１〜１３０−Ｎに於ける超伝導体電流は一定の磁気モーメントを有す
る。１つ若しくは複数のリードアウト素子が、接合１３０−１〜１３０−Ｎに於
ける超伝導電流の磁気モーメントを感知し、量子計算の結果を決定する。
【００４７】 計算及び結果の読み出し解釈で要求される時間は、実行される計算に基づく。
そのような論点が、量子計算における多くの論文テーマとなっている。ここに記
述された構造は、構造が十分な数の量子ビットと要求された計算時間よりも長い
デコヒーレンス時間を提供するのであれば、そのような計算を実行し得る。典型
的には、本構造は実行温度を下げることによって、より長いコヒーレンス時間に
到達し得る。
【００４８】 図８は、ダブルバス構成を有する量子レジスタ８００を示すものである。量子
レジスタ８００は、第１の超伝導バンク１１０及び第２の超伝導バンク８１０を
有し、そのバンク間にはジョセフソン接合８３０が存在する。ジョセフソン接合
８３０は、バンク１１０に於ける秩序パラメータとバンク８１０に於ける秩序パ
ラメータとの間に位相差Δφを生成する。ジョセフソン接合８３０は望ましくは
クリーンなジョセフソン接合で、位相差Δφはバンク１１０及び１２０の相対的
な結晶軸方向に依存するが、変更例としては、接合８３０が絶縁性もしくはダー
ティーなジョセフソン接合である。超伝導アイランド１２０−１〜１２０−Ｎは
各々、クリーンなジョセフソン接合１３０−１〜１３０−Ｎを介してバンク１１
０に接続されている。
【００４９】 量子レジスタ８００は３つのSETセットを有する。SET６４０−１〜６４０−Ｎ
は、各々アイランド１２０−１〜１２０−Ｎとアース接続されている。SET７５
０−２〜７５０−Ｎは、制御エンタングルメントのために近接するアイランドを
接続する。SET８４０−１〜８４０−Ｎは、各々のアイランド１２０−１〜１２
０−Ｎとバンク８１０との間に存在する。量子レジスタ８００の利点は初期化及
び基底状態のトンネル効果確率を変化させる能力であり、SET８４０−１〜８４
０−Ｎのそれを選択することでバンク８１０と対応するアイランド１２０−１〜
１２０−Ｎとを接続する。
【００５０】 ダブルパス量子レジスタ８００を用いた初期化プロセスを示すため、バス１１
０に於ける超伝導秩序パラメータの位相がゼロにされる。バス８１０の相対的な
位相χが、図８の左側でバス１１０と８１０とを接続させ、結果として生じるル
ープの左の大部分を通る外部の磁場を通すことで生成され得る。選択されたキー
８４０−１〜８４０−Ｎ（一方でキー６４０−１〜６４０−Ｎは閉じられたまま
である）を開放すると、対応するアイランド１２０−１〜１２０−Ｎ中の２つの
先の縮重基底状態の間でエネルギーの格差が生成される。とりわけバス８１０に
接続される場合の位相＋Δφ及び−Δφを有する状態は、[cos(Δφ+χ)-cos(Δ
φ-χ)]に比例するエネルギー差を有する点で異なる。接続されたアイランド１
２０−１〜１２０−Ｎは、最終的にはバス８１０の位相χに基づく最も低エネル
ギー状態、＋Δφ若しくは−Δφで安定する。
【００５１】 本発明は特定の実施例を参照して記述されてきたが、前述の実施例はあらゆる
点で単なる例示に過ぎず、これに限定されるものではない。特許請求の範囲に属
する変形及び変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 図は本発明の実施例による水平方向のアーキテクチャを有する量子コヒーラの
平面図である。
【図１Ｂ】 図は本発明の実施例による水平方向のアーキテクチャを有する量子コヒーラの
平面図である。
【図１Ｃ】 図は本発明の実施例による水平方向のアーキテクチャを有する量子コヒーラの
平面図である。
【図２Ａ】 図は本発明の実施例による水平方向の量子コヒーラの断面図である。
【図２Ｂ】 図は本発明の実施例による水平方向の量子コヒーラの断面図である。
【図２Ｃ】 図は本発明の実施例による水平方向の量子コヒーラの断面図である。
【図３Ａ】 図は本発明の実施例による垂直方向の量子コヒーラの平面図である。
【図３Ｂ】 図は本発明の実施例による垂直方向の量子コヒーラの断面図である。
【図４Ａ】 図は本発明の別の実施例による垂直方向の量子コヒーラの平面図である。
【図４Ｂ】 図は本発明の別の実施例による垂直方向の量子コヒーラの断面図である。
【図５】 図は本発明の実施例によるハイブリッド型垂直／水平方向量子コヒーラの断面
図である。
【図６】 図は量子ビットの状態を凍結させる単一電子トランジスタを有する量子ビット
である。
【図７】 図は、量子ビット間のエンタングルメントを生成し、量子ビットの読み出しを
容易にする単一電子トランジスタを有する量子ビットの集まりを含む構造である
。
【図８】 図は、バスより量子ビットへと、異なる位相の秩序パラメータを適用すること
が可能なダブルバス構造を有するシステム図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１４年３月２２日（２００２．３．２２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】 （技術背景） 現在の量子計算と呼称されるものに関する研究は、Richard Feynman, [R. Fey
nman, Int. J. Theor. Phys., 21,467-488 (1982)]まで遡る。Feynmanは、量子
系は本来、従来方式のコンピュータをシミュレートすることが困難であるが、量
子系の発展を観察することで、同様のコンピュータを利用する問題を解決するた
めのさらに高速な方法を提供しうると言及した。とりわけ量子系の振る舞い（be
havior）のための理論を説くことは、通常は量子系のハミルトニアンに関する微
分方程式を解くことを必要とする。量子系の振る舞いを観察することが、方程式
に対する解法に関係する情報を提供する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】 典型的には、量子レジスタは更に複数のアイランド及び複数の接合部分を有し
、各々の接合部分はバンク及び対応するアイランドの間に存在するクリーンなジ
ョセフソン接合である。接合部に於ける超伝導電流の量子状態はアイランドを共
に結合させるトランジスタの電気伝導度により発展する。それらのトランジスタ
はアイランドの量子状態のエンタングルメントを生成する。量子レジスタの製造
は、アイランドのために所望とされる初期的な量子状態に従った結晶軸方向を、
各々のアイランドの毎に選択し得る。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】 量子コヒーラ１００は、大きな超伝導バンク１１０と絶縁された基板１４０上
に形成されている中間視的超伝導体アイランド１２０との間に、ジョセフソン接
合１３０を有する。バンク１１０及びアイランド１２０の少なくとも１つが、例
えばＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ高−Ｔｃ銅塩、またはいかなる超伝導体でもよいｄ
波超伝導体であり、その内部のクーパー対は非ゼロの軌道角運動量を有する状態
である。本発明の複数の実施例では、バンク１１０及びアイランド１２０の一つ
は、ｓ波超伝導体である。この実施例において、接合部１３０は、接合が通電す
る部分（例えば常伝導層もしくは粒界）でクリーンであり、散乱部位を欠いてい
る。以下に更に詳しく述べられるように、ｄ波超伝導体バンク１１０及びｄ波超
伝導体アイランド１２０との間の粒界が、ジョセフソン接合１３０を生成し得る
。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】 複数の実施例においては、バンク１１０がニオビウム（Ｎｂ）のようなｓ波超
伝導体材料であり、アイランド１２０はｄ波超伝導体である。複数の実施例にお
いては、バンク１１０がｄ波超伝導体材料であり、アイランド１２０がｓ波超伝
導体である。接合１３０は、バンク１１０とアイランド１２０との間に常伝導体
を有する。常伝導体は、ｄ波及びｓ波超伝導体の双方に有効な接合を形成するよ
うなどのような導電性材料であってもよく、大きな弾性散乱長を有してもよく、
また量子コヒーラ１００の動作温度（典型的には、約１０゜Ｋから約１゜Ｋの間
）で常伝導体として存在しうる。接合１３０の好適な常伝導体には、とりわけ、
金（Ａｕ）が適している。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】 量子コヒーラ１００は、集積回路製造分野で一般的なパターン技術を用いて形
成され得る。バンク１１０及びアイランド１２０の双方がｄ波超伝導体であるよ
うなシステムでは、基板１４０は、KagakuGijutsu-sha (Tokyo, Japan)より入手
可能なチタン酸ストロンチウム バイクリスタル基板のような、バイクリスタル
基板である。製造工程は、基板１４０上に、約０．２μｍの厚さを有する高−Ｔ
ｃ銅塩のフィルムを成長させることで開始される。高−Ｔｃ銅塩フィルム領域は
、下部の基板１４０とは異なった結晶方向を引継ぎ、２つの異なった領域間に粒
界が形成される。そのようなフィルムは、基板１４０上に高−Ｔｃ銅塩をスパッ
タリングするためのレーザビームを用いるパルスレーザ被膜で成長されてもよい
。フォトリソプロセスは、次に、フィルムをマスキングまたエッチングし、バン
ク１１０の近辺に（典型的には複数のアイランドの１つとして）アイランド１２
０を形成する。所望の小さなサイズのアイランド１２０のために、エッチング若
しくはパターンプロセスがｄ波超伝導体の一部を取り除き、所望の寸法でアイラ
ンド１２０を残すために、電子ビームを用いてもよい。Il'ichevら (LANL,cond-
mat/9811017, p.2)が高−Ｔｃ銅塩を用いた既知の製造技術について記述してお
り、ここに参照したことでそのすべてを本願の一部とする。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】 バンク１１０若しくはアイランド１２０の１つがｓ波超伝導体である実施例に
おいて、製造工程は基板１４０上にｄ波超伝導体のフィルムを皮膜させることで
開始される。フィルムは、（必要があれば）エッチングされ、ｄ波超伝導体の境
界線を、バンク１１０又はアイランド１２０の所望とする境界線まで限定する。
代替例として、バンク１１０若しくはアイランド１２０がバルクのｄ波フィルム
からエッチングされてもよい。金のような常伝導体が被膜され、接合部１３０の
ために材料を残存させるべくパターン化される。最終的には、ｓ波超伝導体のフ
ィルムが被膜され、バンク１１０又はアイランド１２０のためにｓ波超伝導体の
境界線を限定するために（必要ならば）パターン化される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】 結晶軸方向の機能は、バンク１１０及びアイランド１２０の双方がｄ波超伝導
体であるような接合の従来技術中に詳細が明らかにされており、A.M.Zagoskinの
"A scalable, tunable qubit, based on a clean DND or grain boundary D-D j
unction"(LANL preprint cond-mat/9903170)を参照して頂きたい。この実施例で
は、アイランド１２０がバンク１３０のそれとは異なる結晶軸方向を有している
。ジョセフソン接合がクリーン接合であるので、結晶軸方向における差異は、接
合部の秩序パラメータΨ中の平衡位相差Δφの大きさを決定する第１の因子であ
り、位相差の大きさΔφが典型的なトンネル効果接合のケースであるπ／２に制
限されることはない。（接合の２つの縮重状態は、各々プラス及びマイナス位相
差Δφに対応している。）従って、バンク１１０及びアイランド１２０の間の格
子ミスマッチの選択が、位相差Δφを選択する。このことは、格子ミスマッチを
選択することが指数関数的な広いレンジを有する基底状態間のトンネル効果速度
選択を可能とし、位相差Δφをより大きく、又は小さくする。本発明の実施例で
は、バンク１１０若しくはアイランド１２０の一方がｄ波超伝導体であり、他方
がｓ波超伝導体であるような構造に同様の効果がある。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】 クリーン接合を有する別の利点は、アイランド１２０上に余剰電荷を含む状態
にある低い確率を有するように基底状態を制限し得る、結晶軸方向の差（即ちΔ
φ）ある。そのようなわけでアイランド１２０の状態は、周囲との弱い静電相互
作用を有する。このことが、アイランド１２０の状態におけるデコヒーレンスの
ソースを減少させまたは除去し、アイランド１２０の状態が、波動関数の崩壊を
伴うことなく比較的長い時間に渡って発展し続けてもよい。ジョセフソン接合１
３０における自発的な超伝導電流が自発的な磁化を生み出し、電流及び磁化の向
きが量子コヒーラ１００の運動量子状態を識別する。しかし、周辺との磁気反応
はデコヒーレンスを伴う重大な問題を回避するには弱すぎる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】 単一電極トランジスタ（SET）は既知であり、例えばA. Zagoskinによる"Quant
um Theory of Many-Body Processes"（Springer,1998）に記載されており、ここ
で言及したことでその全てを本願の一部とする。SETは、２つのデバイス（例え
ばアイランド１２０及びアース）に接続された容量性の微粒子（grain）を有す
る。微粒子がチャージされていない場合、電子若しくはクーパー対は何れかの素
子より微粒子へトンネルし得る。しかし微粒子は十分に小さいので、一度電子若
しくはクーパー対が微粒子上にトンネルすると、微粒子の荷電が電気的に反発し
、更なる微粒子へのトンネル効果を妨げる。微粒子に関するゲートは微粒子電圧
を変化させ得り、トンネル効果を遮断し、さもなくばトンネル効果の速度を制御
する。P. Joyezらは、"Observation of Parity-Induced Suppression of Joseph
son Tunneling in the Superconducting Single Electron Transistor"（Physic
al Review Letters, Vol. 72, p2458,11 April 1994）に於いて、単一の電子ト
ランジスタの動作及び製造に関して記述しており、ここに言及したことでその全
てを本願の一部とする。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】 図８は、ダブルバス構成を有する量子レジスタ８００を示すものである。量子
レジスタ８００は、第１の超伝導バンク１１０及び第２の超伝導バンク８１０を
有し、そのバンク間にはジョセフソン接合８３０が存在する。ジョセフソン接合
８３０は、バンク１１０に於ける秩序パラメータとバンク８１０に於ける秩序パ
ラメータとの間に位相差Δφを生成する。ジョセフソン接合８３０は望ましくは
クリーンなジョセフソン接合で、位相差Δφはバンク１１０及び８１０の相対的
な結晶軸方向に依存するが、変更例としては、接合８３０が絶縁性もしくはダー
ティーなジョセフソン接合である。超伝導アイランド１２０−１〜１２０−Ｎは
各々、クリーンなジョセフソン接合１３０−１〜１３０−Ｎを介してバンク１１
０に接続されている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 4M113 AA06 AA14 AA18 AA37 AA55 AB11 AB15 AD36 CA13 CA34 【要約の続き】 い。計算を完了させるために量子状態が発展した後、例 えば別の電子トランジスタセットを介してアイランドを アースすることが、限定された磁気モーメントを有する 状態へと接合部を固定し、量子計算の結果を決定する場 合に超伝導電流の測定を容易にする。

Claims (34)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 量子コンピュータ構造であって、 超伝導体材料のバンクと、 超伝導体材料のアイランドと、 前記アイランドと前記バンクとの間のジョセフソン接合とを含み、 前記アイランド及び前記バンクの一方がd波超伝導体材料を有し、前記バンク
    及び前記アイランドの他方がs波超伝導体材料を有することを特徴とする量子コ
    ンピュータ構造。
  2. 【請求項２】 更に前記アイランドとアースとの間に接続された単一電子
    トランジスタを有することを特徴とする請求項１に記載の構造。
  3. 【請求項３】 前記アイランドが前記d波超伝導体材料を有し、前記バン
    クが前記s波超伝導体材料を有することを特徴とする請求項１に記載の構造。
  4. 【請求項４】 前記バンクがd波超伝導体材料を有し、また前記アイラン
    ドが前記ｓ波超伝導体材料を有することを特徴とする請求項１に記載の構造。
  5. 【請求項５】 更に、 第３の結晶軸方向を有する超伝導体材料の第２のバンクと、 前記第１のバンクと第２のバンクとの間のジョセフソン接合を有することを特
    徴とする請求項１に記載の構造。
  6. 【請求項６】 更に単一電気トランジスタが前記第２のバンクと前記アイ
    ランドとの間に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の構造。
  7. 【請求項７】 更に、基盤を有し、 前記バンクの少なくとも一部分が前記基板上に形成され、前記アイランドが前
    記基板上に存在し、前記基板上の前記バンクの前記一部分に横方向に近接してい
    ることを特徴とする請求項１に記載の構造。
  8. 【請求項８】 前記アイランドが、前記基板に対して垂直な前記バンクに
    対して近接する側面を有することを特徴とする請求項７に記載の構造。
  9. 【請求項９】 更に、 前記アイランドの前記上面と前記バンクとの間の常伝導体と、 前記バンクと前記アイランドの前記側面との間に存在する、前記基板上の絶縁
    体とを含む請求項８に記載の構造。
  10. 【請求項１０】 前記アイランドが、前記基板の法線に対して通常０度で
    ない角度をなす、前記バンクに近接する側面を有することを特徴とする請求項７
    に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記バンクの第２の部分が、前記アイランドの上面を覆
    って延在することを特徴とする請求項１０に記載の構造。
  12. 【請求項１２】 更に、前記アイランドの前記上面と前記バンクとの間、
    及び前記アイランドの前記側面と前記バンクとの間に常伝導体を有することを特
    徴とする請求項１１に記載の構造。
  13. 【請求項１３】 前記ジョセフソン接合が前記バンクと前記アイランドと
    の間に常伝導体材料の層を有することを特徴とする請求項１に記載の構造。
  14. 【請求項１４】 更に基板を有し、 前記バンクが前記基板の上部表面上に形成され、 前記常伝導体材料が前記バンク上の層であり、 前記アイランドが前記層上に存在することを特徴とする請求項１３に記載の構
    造。
  15. 【請求項１５】 量子レジスタであって、 第１の超伝導体材料のバンクと、 複数の第２の超伝導体材料のアイランドと、 各々前記バンクと対応する前記アイランドの１つとの間に存在する複数のジョ
    セフソン接合とを有し、 前記第１及び第２の超伝導体材料の一方がｄ波超伝導体であり、前記第１及び
    第２の超伝導体材料の他方がｓ波超伝導体であることを特徴とする量子レジスタ
    。
  16. 【請求項１６】 前記第１の超伝導体材料が前記d波超伝導体であること
    を特徴とする請求項１５に記載の量子レジスタ。
  17. 【請求項１７】 前記第２の超伝導体材料が前記d波超伝導体であること
    を特徴とする請求項１５に記載の量子レジスタ。
  18. 【請求項１８】 更に複数の単一電子トランジスタを有し、 各々の単一電子トランジスタが、アースと前記アイランドの対応する１つとの
    間に存在することを特徴とする請求項１５に記載の量子レジスタ。
  19. 【請求項１９】 更に第１の複数の単一電子トランジスタを有し、 前記第１の複数の単一電子トランジスタの各々が、前記アイランドの対応する
    対の間に存在することを特徴とする請求項１５に記載の量子レジスタ。
  20. 【請求項２０】 更に、第２の複数の単一電子トランジスタを有し、 前記第２の複数の単一電子トランジスタの各々が、アースと前記複数のアイラ
    ンドの対応する１つとの間に存在することを特徴とする請求項１９に記載の量子
    レジスタ。
  21. 【請求項２１】 更に、 超伝導体材料の第２のバンクと、 前記第１及び第２のバンク間のジョセフソン接合とを有する請求項１５に記載
    の量子レジスタ。
  22. 【請求項２２】 更に、第１の複数の単一電子トランジスタを有し、 各々の単一電子トランジスタが、前記第２のバンクと前記アイランドの対応す
    る１つとの間で接続されることを特徴とする請求項２１に記載の量子レジスタ。
  23. 【請求項２３】 更に、第２の複数の単一電子トランジスタを有し、 各々の前記第２の複数の単一電子トランジスタが、アースと前記アイランドの
    対応する１つとの間に存在することを特徴とする請求項２２に記載の量子レジス
    タ。
  24. 【請求項２４】 更に、第２の複数の単一電子トランジスタを有し、 各々の前記第２の複数の単一電子トランジスタが、前記アイランドの対応する
    対の間に存在することを特徴とする請求項２２に記載の量子レジスタ。
  25. 【請求項２５】 更に第３の複数の単一電子トランジスタを有し、 各々の前記第３の複数の単一電子トランジスタが、前記複数のアイランドの対
    応する１つとアースとの間に存在することを特徴とする請求項２４に記載の量子
    レジスタ。
  26. 【請求項２６】 量子計算の方法であって、 バンク及びアイランドを超伝導状態にして、計算のためコヒーレンス性を維持
    するべく十分に熱励起を抑制する温度まで、前記バンク及び前記アイランドを含
    む構造を冷却する過程と、 第１の磁気モーメントを有する第１の状態と、第２の磁気モーメントを有する
    第２の状態の混合状態であることを特徴とする、ジョセフソン接合に於ける超伝
    導電流の量子状態を確立する過程と、 前記第１の状態及び第２の状態間のトンネル効果の可能性に依って、前記量子
    状態を発展させることを可能とする過程と、 結果の測定のために前記接合部中の磁束線を測定する過程とを有し、 前記構造が、前記アイランド及び前記バンク間のジョセフソン接合を有し、 ここで前記ジョセフソン接合の一方の側面がs波超伝導体であり、前記ジョセ
    フソン接合の他方の側面がd波超伝導体であることを特徴とする量子計算方法。
  27. 【請求項２７】 前記ジョセフソン接合に於ける前記超伝導電流が、構造
    中のd波超伝導体より生じる基底状態電流であることを特徴とする請求項２６に
    記載の方法。
  28. 【請求項２８】 磁束の測定が、 前記第１若しくは第２の状態に前記超伝導電流を固定するために、前記アイラ
    ンドを接地する過程と、 前記アイランドが接地されている間、前記磁束を測定する過程とを有すること
    を特徴とする請求項２６に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 前記量子状態が前記バンクに電流を流す過程を含むこと
    を確立させる特徴とする請求項２６に記載の方法。
  30. 【請求項３０】 前記構造が、更に、 複数のアイランドと、 前記バンクと各々のアイランドとの間の複数のジョセフソン接合とを有するこ
    とを特徴とする請求項２６に記載の方法。
  31. 【請求項３１】 さらに、 前記構造中の前記ジョセフソン接合の各々に於ける超伝導電流の量子状態を確
    立させる過程を有し、 前記量子状態の各々が、前記対応するジョセフソン接合に於ける第１の磁気モ
    ーメントを有する第１状態と、前記対応するジョセフソン接合に於ける第２の磁
    気モーメントを有する第２の状態との混合状態であることを特徴とする請求項３
    ０に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 前記量子状態を発展させる過程が、アイランドを共に接
    続させるトランジスタの伝導性を制御する過程を含み、前記アイランドの前記量
    子状態のエンタングルメントを生成することを特徴とする請求項３０に記載の方
    法。
  33. 【請求項３３】 前記量子状態が前記バンクに電流を流す過程を含むこと
    を確立させる特徴とする請求項３０に記載の方法。
  34. 【請求項３４】 更に、前記アイランドに必要とされる前記量子状態に基
    づいた結晶軸方向を、各アイランド毎に選択する過程を含むことを特徴とする請
    求項３３に記載の方法。
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