JP2007287933A - 量子ビット可変結合方法、それを適用した量子演算回路及び可変結合器、並びに量子計算機 - Google Patents

Abstract

【課題】 量子ビット素子間を大きな結合力により簡易に結合し得る量子演算回路を提供すること。
【解決手段】 この量子演算回路では、一対の超伝導電荷量子ビット素子（超伝導量子箱電極１０１、１０２）に対して静電的に結合された２次元電子ガス層を電気的に制御することによって、超伝導電荷量子ビット素子（超伝導量子箱電極１０１、１０２）間の結合の強さを制御する。このため、ビット素子間結合用メサ部１１１（メサ構造）内に２次元電子ガス層が備えられ、超伝導量子箱電極１０１、１０２と電子ガス排除電極１１２とがビット素子間結合用メサ部１１１（メサ構造）の２次元電子ガス層上に配置されている。この構造では、電子ガス排除電極１１２へ電圧を適当に設定して印加することにより、２次元電子ガスとグランドとの間の静電容量が可変制御される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主としてジョセフソン結合システムで構成される量子計算機に用いられる量子演算回路に関し、詳しくは量子演算回路に用いられる量子ビット素子間を結合する量子ビット結合方法、それを適用した量子演算回路及び可変結合器、並びに量子計算機に関する。

近年、量子計算機（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）は、量子力学の基本原理を積極的に活用することによって、或る特定の問題（例えば大きな自然数の素因数分解等）に対して現在の古典計算機と比べて桁違いの速度で計算を行うことができる新しい概念に基づいた計算機として知られている。この量子計算機では、古典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。尚、量子計算機で扱われる情報は、量子ビット（キュービット）に入力されるが、量子ビットは例えば異なる量子状態を持った原子（イオン）と見做せるため、こうした量子状態のうちの２つが情報を保存するために使用される。

量子２準位系の候補としては幾つかあるが、量子ビット集積化の観点からは固体素子が有望である。特に超伝導素子を用いた量子ビット素子はそのコヒーレンスの強固さ等から他の固体デバイスを大きくリードしている。

量子計算においては、２ビットを用いた論理演算が必要不可欠であるため、量子計算機の実現には量子ビット素子間に何らかの方法で相互作用を持たせることが必要となる。こうした技術も研究開発されており、一例として二つの超伝導電荷量子ビット素子間を静電的に結合した回路を用いて２ビット論理ゲートを実証したもの（非特許文献１参照）が挙げられる。

ところが、非特許文献１中で結合を媒介するのはクーパー対箱電極とそれに重なるように蒸着された島電極が形成するキャパシタとであり、一度素子が作製されてしまうとその結合の強さ、即ち、静電容量の大きさを外的に制御することができないようになっている。

このことは量子計算を行う上で好ましいことではない。何故ならば、非特許文献１に係る技術の場合、量子ビット素子は計算中に常時相互作用の影響を受けて時間発展をすることになり、この不必要な時間発展を打ち消すような余計なゲート操作が必要となってしまうためである。実際、液体中の分子の核スピンを用いた量子ビット素子では、核スピン間に常に働く交換相互作用の効果を打ち消すためにそのようなゲート操作が行われているが、現在のところ比較的コヒーレンス時間の短い量子ビット素子を対象にして同様の技術を適用することは現実的ではない。それ故、任意のタイミングで交換相互作用の強さを零又は或る有限値に切り替えられるような量子ビット素子間結合機構を実現することが望まれている。

そこで、超伝導電荷量子ビット素子間を可変結合するための理論的提案（超伝導電荷量子ビット可変結合のための技術）もなされている。例えば、磁束量子干渉計構造を持つ二つの電荷量子ビット素子間を結合用のジョセフソン接合の持つインダクタンスによって磁気的に結合したもの（非特許文献２参照）や、二つの量子ビット素子であるクーパー対箱が静電転送器と呼ばれる別のクーパー対箱によって結合されたもの（非特許文献３参照）が挙げられる。

ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）、（英国）、２００３年１０月３０日、第４２５巻、ｐ．９４１−ｐ．９４４ フィジカルレビューB、（米国）、２００３年７月２２日、第６８巻、ｐ．０２４５１０−１−ｐ．０２４５１０−８ フィジカルレビューレターズ、（米国）、２００３年７月３０日、第９１巻、ｐ．０５７００３−１−ｐ．０５７００３−４

上述した非特許文献２や非特許文献３に係る超伝導電荷量子ビット可変結合のための技術の場合、幾つかの問題がある。

具体的に言えば、非特許文献２の場合、電荷量子ビット素子間の結合の強さはループ中を貫く磁束の数によって決まり、結合のオン・オフについては磁場を発生するためのコイルの電流により制御することになるため、電圧制御と比べて高速化への対応が困難であるという問題がある他、パラメータの制約上、結合エネルギーの大きさを余り大きくすることができず、２ビットゲート動作に時間がかかってしまうことにより、有限のコヒーレンス時間内に計算を終わらせることが難しくなるという問題がある。

又、非特許文献３の場合、静電転送器は量子キャパシタンスと呼ばれる実効的な静電容量を持っていることにより二つの量子ビット素子が静電的に結合し、量子キャパシタンスの大きさは静電転送器のゲート電極に印加する電圧に依存するために電圧によって二つの量子ビット素子間の結合力を制御できるようになっているが、量子キャパシタンスが十分な結合力並びに可変性を持つためには静電転送器がゲート電圧に対して２ｅ周期（ｅは電荷素量）を持つことが必須条件である。

このため、量子ビット測定系による量子ビット素子への反作用等の種々要因による非平衡準粒子の存在を考慮すると、実際にこうした条件を満足することは必ずしも容易ではなく、特別な配慮が必要となってしまう。結果として、基本的機能を実現して有効に活用する構成が複雑となるだけでなく、容易に実施し難いという問題がある。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、量子ビット素子（特に超伝導電荷量子ビット素子）間を大きな結合力により簡易に結合し得る量子ビット可変結合方法及びそれを適用した複数の量子ビット素子を含む量子演算回路を提供することにある。

本発明の他の課題は、上記量子演算回路に備えられる可変結合器を提供することにある。

本発明の別の課題は、上記量子演算回路を複数用いた量子計算機を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子とを結合する量子ビット結合方法において、前記第１及び第２の量子ビット素子の間の結合を電子ガスにより静電的に制御する制御段階を有することを特徴とする量子ビット可変結合方法が得られる。

本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、前記電子ガスを含む２次元電子ガス層を設けておき、前記制御段階は、前記２次元電子ガス層における前記電子ガスのポテンシャルをグランドに接地することにより、前記第１及び第２の量子ビット素子間の結合を切り離す段階を含むことを特徴とする量子ビット可変結合方法が得られる。

本発明の第３の態様によれば、第２の態様において、前記制御段階は、更に、ガス排除電極に電圧を印加して前記２次元電子ガス層における前記電子ガスを少なくとも部分的に排除することにより、前記第１及び第２の量子ビット素子間を結合させる段階を含むことを特徴とする量子ビット可変結合方法が得られる。

本発明の第４の態様によれば、第３の態様において、前記第１及び第２の量子ビット素子は、それぞれ超伝導量子箱電極、該超伝導量子箱電極にトンネルバリアを挟んで設けられた対向電極、及び、該超伝導量子箱電極にトンネルバリアを挟んで設けられた読み出し電極を有する量子ビット構造を備えると共に、ゲート電極を有する超伝導電荷量子ビット素子であって、前記ゲート電極を制御することによって前記超伝導量子箱電極の量子ビットの状態が操作されることを特徴とする超伝導電荷量子ビット可変結合方法が得られる。

本発明の第５の態様によれば、第４の態様において、前記読み出し電極を用いて前記量子ビットの読み出しが行われることを特徴とする超伝導電荷量子ビット可変結合方法が得られる。

本発明の第６の態様によれば、第１及び第２の量子ビットと、第１及び第２の量子ビットと静電的に結合するように配置された２次元電子ガス層とを有することを特徴とする量子演算回路が得られる。

本発明の第７の態様によれば、第６の態様において、前記２次元電子ガス層は接地されていることを特徴とする量子演算回路が得られる。

本発明の第８の態様によれば、第７の態様において、更に、前記２次元電子ガス層中の電子ガスを排除するガス排除電極を備えたことを特徴とする量子演算回路が得られる。

本発明の第９の態様によれば、第８の態様において、前記２次元電子ガス層を内部に配置したメサ構造を有し、前記第１及び第２の量子ビットと前記ガス排除電極とは、絶縁層を介して前記メサ構造の表面に形成されたことを特徴とする量子演算回路が得られる。

本発明の第１０の態様によれば、第９の態様において、前記第１及び第２の量子ビットは、超伝導量子箱電極、対向電極、及び、読み出し電極を含む超伝導電荷量子ビット素子であることを特徴とする量子演算回路が得られる。

本発明の第１１の態様によれば、第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子との間を可変結合する可変結合器において、前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子の間を電子ガスにより結合する電子ガス層を有することを特徴とする可変結合器が得られる。

本発明の第１２の態様によれば、第１１の態様において、前記電子ガス層は、グランドに接続されていることを特徴とする可変結合器が得られる。

本発明の第１３の態様によれば、第１２の態様において、前記電子ガス層における前記電子ガスを少なくとも部分的に排除して前記結合の強さを制御するためのガス排除電極を有することを特徴とする可変結合器が得られる。

本発明の第１４の態様によれば、第１３の態様において、前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子は、超伝導量子箱電極にトンネルバリアを挟んで対向電極を結合して成る量子ビット構造をそれぞれ有する超伝導電荷量子ビット素子であって、前記量子ビット構造は、前記超伝導量子箱電極としての第１の超伝導量子箱電極及び第２の超伝導量子箱電の延在方向に対して平行に設けられたゲート電極を有しており、前記電子ガス層は、前記ゲート電極と離隔して配置されていることを特徴とする可変結合器が得られる。

本発明の第１５の態様によれば、第１４の態様において、前記電子ガス層は、前記電子ガスとして２次元電子ガスを持たせた半導体２次元電子ガス層であり、前記量子ビット構造は、絶縁層を介して前記半導体２次元電子ガス層と対向するように配置されており、前記ガス排除電極は、前記半導体２次元電子ガス層と部分的に静電的に結合されるように配設されていることを特徴とする可変結合器が得られる。

本発明の第１６の態様によれば、第１５の態様において、前記電子ガス層は、前記半導体２次元電子ガス層を含むメサ構造の内部に配置されたことを特徴とする可変結合器が得られる。

本発明の第１７の態様によれば、第１０の態様の量子演算回路を複数用いて組み合わせて構成される量子計算機において、前記超伝導量子箱電極の複数のものにおける単一のものが前記メサ構造の複数のものにおける二つのものに跨って配置されるように前記量子演算回路の複数のものを横一直線状に並設されるように繋げた構造を有し、前記複数のメサ構造をそれぞれ跨る前記ガス排除電極の複数のもの選択的に選定して電圧印加することにより、前記超伝導電荷量子ビット素子間の結合が選択的に制御されることを特徴とする量子計算機が得られる。

本発明の場合、量子ビット素子間を電子ガス（２次元電子ガス）により静電的に結合させた上、グランドにショートされた電子ガスを部分的に排除してグランドから切り離すことにより量子ビット素子間における結合の強さを静電的に制御するようにしているため、大きな結合力による結合が容易に図られると共に、結合の強さを精度良く可変制御することができる。結果として、量子ビット素子間が可変結合器で結合された構成であって、結合の強さを精度良く可変制御できる量子演算回路を簡易に提供でき、多ビット化へ適用させることも期待できる。

本発明に係る量子ビット可変結合方法について、原理的に説明しておく。この方法は、第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子との間を結合するために、第１及び第２の量子ビット素子間を電子ガスにより静電的に制御する制御段階を有している。この制御段階は、電子ガスをグランドに接続し、両量子ビット素子間の結合を切り離した状態、即ち、オフ状態にする段階を含んでいる。更に、この制御段階は、電子ガスを少なくとも部分的に排除してグランドから切り離すことにより、両量子ビット素子間の結合の強さを制御する段階を有している。

この量子ビット可変結合方法の場合、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子が超伝導量子箱電極（低温時に超伝導状態となる超伝導体から成る）にトンネルバリアを挟んで対向電極を結合して成る量子ビット構造をそれぞれ持つ超伝導電荷量子ビット素子に適用した場合の超伝導電荷量子ビット可変結合方法であれば、非常に有効である。

また、上記制御段階は、量子ビット素子間の結合を切り離した状態、即ち、オフ状態にする段階と、量子ビット素子間の結合をオン状態にする段階とを有し、オフ状態にする段階では、半導体２次元電子ガス層における電子ガスのポテンシャルがグランドによってゼロに保たれるために量子ビット素子間の結合がオフになり、他方、オン状態にする段階では、半導体２次元電子ガス構造に部分的に跨がるように静電的に結合された電子ガス排除電極への印加電圧を変化させる。

以下、図面を参照して、本発明の量子演算回路及び可変結合器、並びにその量子演算回路を複数用いて成る量子計算機について、幾つかの実施例を挙げて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る２量子ビット構造の量子演算回路を示す平面図であり、ここでは、２つの超伝導電荷量子ビット間を可変結合できる構成を有している。また、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図３は図１のＢ−Ｂ線に沿う端面図である。

図示された量子演算回路は、第１の超伝導電荷量子ビット素子、第２の超伝導電荷量子ビット素子、及び、両ビット素子間を結合する可変結合器を含む量子２ビット回路を構成している。更に、第１及び第２の超伝導電荷量子ビット素子間を可変結合するために、第１の超伝導電荷量子ビット素子及び第２の超伝導電荷量子ビット素子の間を静電的に結合する電子ガス構造（ここでは、２次元電子ガス層）と、電子ガス構造における電子ガスを少なくとも部分的に排除してグランドから切り離すことで結合の強さを静電的に制御する電子ガス排除手段（即ち、ガス排除電極）とが備えられている。

各部を具体的に説明すれば、第１の超伝導電荷量子ビット素子は、超伝導量子箱電極１０１、当該超伝導量子箱電極１０１とトンネルバリア１０７を挟んで設けられた対向電極１０７、及び、超伝導量子箱電極１０１の延在方向にトンネルバリア１０９を介して設けられた読み出し電極１０５によって構成されている。

一方、第２の超伝導電荷量子ビット素子は、第１の超伝導電荷量子ビット素子に対して所定の間隔で配置されており、超伝導量子箱電極１０２、当該超伝導量子箱電極１０２にトンネルバリア１０８を挟んで設けられた対向電極１０４、及び、超伝導量子箱電極１０２の延在方向にトンネルバリア１１０を挟んで設けられた読み出し電極１０６によって構成されている。

また、図示された例では、第１及び第２の超伝導電荷量子ビット素子の超伝導量子箱電極１０１及び１０２の延在方向に対して、それぞれ平行に、且つ、超伝導量子箱電極１０１及び１０２に対して平面的に間隔をおいて、ゲート電極１１３及び１１４が配置されている。

図示された第１及び第２の超伝導電荷量子ビット素子は、図１に破線で示されたＴ字型領域に形成されている。図１に示されたＴ字型領域のビット素子間結合用メサ部１１１は、図２に示される２次元電子ガス層２０１により、後述するようなメサ構造としての機能を有している。

図１及び３からも明らかな通り、Ｔ字型形状の脚部領域に延在する２次元電子ガス層２０１と交叉するように、電子ガス排除電極１１２がゲート電極１１４と平行に且つ隣接して配置されている。

ここで、２次元電子ガス層２０１は、図１からも明らかなようにグランドに接地されており、且つ、２次元電子ガス層２０１と電子ガス排除電極１１２との間には、絶縁層２０２が設けられている（図２）。また、２次元電子ガス層２０１はＴ字形状のビット素子間結合用メサ部１１１内に配置され、ここでは、半導体２次元電子ガス層によってメサ構造として実現されている。２次元電子ガス層２０１はビット素子間結合用メサ部１１１の脚部に相当する端部において接地されている。２次元電子ガス層２０１は、絶縁層２０２を介して、２つの量子ビット素子を形成する超伝導量子箱電極１０１、１０２と静電的に結合されていることが分かる。

更に、上述した電子ガス排除手段として設けられた電子ガス排除電極１１２は、ビット素子間結合用メサ部１１１を部分的に跨いで、２次元電子ガス層２０１と静電的に結合される。この電子ガス排除電極１１２への印加電圧の変化に応じて２つの量子ビット間における結合をオン・オフすることができる。

図示された量子演算回路では、超伝導量子箱電極１０１、１０２に対して間隔を置いて配置されたゲート電極１１３、１１４にゲート電圧を印加することによって、量子ビットの状態操作を行うことが出来ると共に、読み出し電極１０５、１０６に電圧を印加することによって読み出しを行うことができる。

図４は、図１〜３に示された量子演算回路の等価回路図を示している。等価回路において、左右の黒丸は量子ビット構造１及び２（構造的には、それぞれ超伝導量子箱電極１０１及び１０２に対応する）を示し、真ん中の白丸は２次元電子ガス層２０１による２次元電子ガス構造３を示している。また、図示された等価回路は超伝導量子箱電極１０１と２次元電子ガス層２０１間の静電容量（キャパシタンス）Ｃ１と、超伝導量子箱電極１０２と２次元電子ガス層２０１間の静電容量Ｃ２と、２次元電子ガス層２０１とグランド間の可変的な静電容量Ｃ０とによって表されている。ここで、静電容量Ｃ０は、電子ガス排除電極１１２への電圧印加により可変容量となる。

以下、図４に示された等価回路を用いて、本発明に係る量子演算回路の動作を説明する。まず、電子ガス排除電極１１２に電圧印加されていない場合を考える。この場合、２次元電子ガス層２０１における２次元電子ガスはグランドに接地されているため、静電容量Ｃ０は無限大となり、２次元電子ガスのポテンシャルは常に０に固定される。従って、仮に一方の量子ビット構造のポテンシャルが変化しても、他方の量子ビット構造にはその変化は伝わらない。これは量子ビット構造間の結合が切り離された状態、即ち、オフ状態であることを示している。

次に、電子ガス排除電極１１２に電圧が印加された場合を考える。この場合、電子ガス排除電極１１２へ印加する電圧値を適当に選べば、電子ガス排除電極１１２直下の２次元電子ガスを排除することができ、これによって、ビット素子間結合用メサ部１１１における２次元電子ガス層２０１とグランドと間の直流的な電気結合が切れる。このときにおける量子ビット構造１のポテンシャルをＶ１とすると、２次元電子ガス層２０１における２次元電子ガスのポテンシャルは、Ｖ１・Ｃ１／（Ｃ０＋Ｃ１）となり、これが静電容量Ｃ２を介して量子ビット構造２に影響を及ぼす。

このように、電子ガス排除電極１１２に印加する電圧により、２次元電子ガス構造３における２次元電子ガスとグランドとの間の静電容量Ｃ０が可変制御され、これによって、量子ビット構造１、２間の結合の強さを制御できる。即ち、図示された量子演算回路は、電子ガス排除電極１１２に印加される電圧によって量子ビット構造１、２間の結合を可変結合できる。

更に、ヘリウムガスを用いた場合の温度を想定すれば、２次元電子ガスの移動度は概ね１０^５ｃｍ^２／Ｖｓ程度に至るまで大きくなるので、２次元電子ガスの印加電圧に対する応答は高速となり、結合のオン・オフのスピードは量子ビット構造１、２の１ビット動作に要する時間（１００ｐｓ）よりも十分高速になる。

因みに、ここでの結合の強さは、静電容量Ｃ１、Ｃ２の値が大きく、結合がオン状態での静電容量Ｃ０の残留値が小さい程、大きくなる。又、静電容量Ｃ１、Ｃ２は超伝導量子箱電極１０１、１０２の面積を大きくすれば大きくできる。一方、結合がオン状態での静電容量Ｃ０の残留値は、主に対向電極１０３，１０４の２次元電子ガスとの間の静電容量で決まるが、これは静電容量Ｃ１，Ｃ２と比べて十分小さくすることができる。従って、図示された量子演算回路は、例えば、非特許文献１に開示された場合と同程度以上の量子ビット構造１、２間の結合力を得ることができる。

図５を参照して、図２及び３に示された２次元電子ガス層２０１の基本構造について説明する。図示された例では、ＧａＡｓ基板２０３上に絶縁層２０４が設けられ、この絶縁層２０４上に１０〜２０ｎｍの厚さを有する２次元電子ガス層２０１が形成されている。更に、２次元電子ガス層２０１は、１００ｎｍの厚さの絶縁層２０２によって覆われている。図２及び３に示されたＴ字形状のビット素子間結合用メサ部１１１によるメサ構造は、図５に示された絶縁層２０２及び２次元電子ガス層２０１を、２次元電子ガス層２０１の下部までエッチングすることによって形成される。

次に、図１〜３に示された量子ビット構造１、２について説明しておく。メサ構造（ビット素子間結合用メサ部１１１）上に存在する超伝導量子箱電極１０１、１０２は量子ビット機能の本体を担っており、上述した通り、絶縁層２０２を介して２次元電子ガス層２０１と静電的に結合されている。超伝導量子箱電極１０１、１０２は、電極中の余剰クーパー対の数が０の状態と１の状態とがそれぞれ量子ビットの０状態と１状態とに対応する。

図示された量子演算回路では、例えばネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）、（英国）、１９９９年４月２９日、第３９８巻、ｐ．７８６−ｐ．７８８に開示されているように、ゲート電極１１３，１１４に電圧パルスやマイクロ波を印加することによって量子ビットの状態操作が実行される。又、量子ビットの状態読み出しは、読み出し電極１０５，１０６を適当な電圧でバイアスしたときに電極中を流れる電流を測定することにより行うことができる。しかし、読み出し方法はこれに限らず、例えば、特開２００４−２００５７９号公報の「量子演算素子及びその使用方法」に開示された単電子トランジスタを電荷計として用いた読み出し方法を適用することも可能である。更に、単独の量子ビット構造１，２における状態操作や読み出しの詳しい技術については、上記文献［ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）］に記載されている。

図６（ａ）、（ｂ）、及び、（ｃ）、並びに、図７を参照して、本発明に係る量子演算回路の製造方法を説明する。ここでは、当該量子演算回路について、量子ビット素子自体を超伝導体で作製し、更に図５に示した構造のＧａＡｓ基板２０３を用いて量子ビット素子間の結合機構である可変結合器を半導体装置によって実現する場合について説明する。図６（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）はそれぞれ量子演算回路の基本部分の製造工程を工程順に模式的に示した平面図であり、同図（ａ）は初期工程、同図（ｂ）は中期工程、及び、同図 （ｃ）は後期工程を示し、図７は図６（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿って断面した場合の断面図である。

図６（ａ）に示される初期工程では、先ず図７に示されるような絶縁層２０４、２０２間に２次電子ガス層２０１が配置された構造、即ち、２次電子ガス層２０１上に絶縁層２０２が形成された構造のＧａＡｓ基板２０３表面の４隅に金、ニッケル、金−ゲルマニウムの三層構造を蒸着し、それを窒素ガス中でアニールすることにより、一番下層の金−ゲルマニウム層が絶縁層中に染み込んで２次元電子ガス層とニッケル層とを電気的に結び付ける処理が行われた結果、２次元電子ガス層６と接続されたオーミックコンタクトパッド４０１を四隅に形成する構造が得られる。このオーミックコンタクトパッド４０１は、２次元電子ガス層２０１をグランド電位に接続するためのものである。

次に、図６（ｂ）に示される中期工程では、オーミックコンタクトパッド４０１が形成された絶縁層２０２上に、電気信号を取り出すためのリード線やマイクロ波を伝送するためのコプレーナ導波路をフォトリソグラフィーを用いた金蒸着を行うことにより、ドット部分で示されるような導体部２０５を形成する。ここでの導体部２０５は、３本のリード線と２つのコプレーナ導波路構造とを含んでいる。

更に、図６（ｃ）に示される後期工程は、図６（ｂ）の５本の電極で囲まれた中心部に、図２及び３で説明した２次元電子ガス層２０１によるメサ構造（ビット素子間結合用メサ部１１１）を形成する工程である。この場合、反応性ガスを用いたドライエッチング又は酸を用いたウェットエッチングにより、図６（ｂ）の中心部における絶縁層２０２及び２次電子ガス層２０１を、２次元電子ガス層２０１の部分よりも下部までエッチングする。この結果、ドットで示される部分が、図６（ｂ）の中心部分から除去され、除去された部分以外の部分によってＴ字形状のメサ構造（ビット素子間結合用メサ部１１１）が形成される。この状態で、２次元電子ガス層２０１は、図６（ａ）に示したオーミックコンタクトパッド４０１と電気的に接続されている。

最後に、メサ構造（ビット素子間結合用メサ部１１１）の上部に電子線リソグラフィーにより図１に示したような各電極を形成して、量子演算回路を作製する。

尚、２元電子ガス層２０１の２次元電子ガスについては、キャリア密度を４×１０^１１ｃｍ^−２程度、移動度を７０００ｃｍ^２／Ｖｓ程度とすることが望ましい。

図８は、本発明の実施例２に係る量子計算機の基本構成を示した回路ブロック図である。

この量子計算機は、上述した複数の超伝導電荷量子ビット素子を含む量子演算回路を複数用いて組み合わせて構成されるもので、その基本的な構造としては、複数の超伝導量子箱電極３０３_１〜３０３_４における単一のものが複数のメサ構造（ビット素子間結合用メサ部１１１_１〜１１１_３）における二つのものに跨って配置されるようにし、そうした構造のものを複数用いて横一直線状に並設されるように繋げた構造となっており、各ビット素子間結合用メサ部１１１_１〜１１１_３の脚部を跨る電子ガス排除電極１１２_１〜１１２_３を選択的に選定して電圧印加することにより、各量子ビット素子間の結合を選択的に制御できるようになっている。

具体的に言えば、ビット素子間結合用メサ部１１１_１を含む第１の量子演算回路は、超伝導量子箱電極３０３_１の他端側にトンネルバリア３１１_１を介してその延在方向とは垂直に延びるように接続された対向電極３０５_１と共に、これとは所定の間隔で配置された同様な構造、即ち、超伝導量子箱電極３０３_２の一端側にトンネルバリア３１１_２を介してその延在方向とは垂直に延びるように接続された読み出し電極３０７_２を含む他、ビット素子間結合用メサ部１１１_１の脚部を跨るように配設された電子ガス排除電極１１２_１を含んでいる。

また、ビット素子間結合用メサ部１１１_２を含む第２の量子演算回路は、超伝導量子箱電極３０３_２の他端側にトンネルバリア３１１_３を介してその延在方向とは垂直に延びるように接続された対向電極３０５_２と共に、これとは所定の間隔で配置された同様な構造、即ち、超伝導量子箱電極３０３_３の一端側にトンネルバリア３１１_４を介してその延在方向とは垂直に延びるように接続された読み出し電極３０７_３を含む他、ビット素子間結合用メサ部１１１_２の脚部を跨るように配設された電子ガス排除電極１１２_２を含んでいる。

更に、ビット素子間結合用メサ部１１１_３を含む第３の量子演算回路は、超伝導量子箱電極３０３_３の他端側にトンネルバリア３１１_５を介してその延在方向とは垂直に延びるように接続された対向電極３０５_３と共に、これとは所定の間隔で配置された同様な構造、即ち、超伝導量子箱電極３０３_４の一端側にトンネルバリア３１１_６を介してその延在方向とは垂直に延びるように接続された読み出し電極３０７_４を含む他、ビット素子間結合用メサ部１１１_３の脚部を跨るように配設された電子ガス排除電極１１２_３を含んでいる。

加えて、この量子計算機の場合、各電子ガス排除電極１１２_１〜１１２_３の間にゲート電極１１５_２、１１５_３が各対向電極３０５_１〜３０５_３と同じ方向に延びて介在されるように配設されている。

このような量子計算機の場合、超伝導電荷量子ビット素子間の結合を制御できるのは、隣接する二つの超伝導電荷量子ビット素子間においてのみとなり、例えば超伝導量子箱電極３０３_２、３０３_３の間の結合を選択的に制御するためには、その部分に対応して位置されるメサ構造（ビット素子間結合用メサ部１１１_２）の脚部に跨る電子ガス排除電極１１２_２へ印加する電圧を適当に設定すれば良いことになる。

本発明の電子ガスを用いて量子ビット素子間を結合する手法は、上述した複数の超伝導電荷量子ビット素子を含む量子演算回路や更に量子演算回路を複数備えた量子計算機への適用が好適である他、原理的にその他の超伝導量子ビット素子である磁束量子ビットや位相量子ビット、或いは半導体量子ビットについても適用可能である。

本発明の実施例１に係る量子演算回路を示す平面図である。 図１に示された量子演算回路をＡ−Ａ線に沿って断面した断面図である。 図１に示された量子演算回路をＢ−Ｂ線に沿って断面した断面図である。 図１に示す量子演算回路の等価回路図である。 図１に示された量子演算回路の２次元ガス層を説明するための図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は図１に示された量子演算回路を製造する製造工程を工程順に説明する平面図である。 図６に示された製造工程で得られる構造を具体的に説明するために、図６（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿って断面した断面図である。 本発明の実施例２に係る量子計算機の基本構成を示した回路ブロック図である。

符号の説明

１、２ 量子ビット構造
１０１、１０２、３０３_１〜３０３_４ 超伝導量子箱電極
１０３、１０４、３０５_１〜３０５_３ 対向電極
１０５、１０６、３０７_２〜３０７_４ 読み出し電極
１０７、１０８、１０９、１１０、３１１_１〜３１１_６ トンネルバリア
１１１、１１１_１〜１１１_３ ビット素子間結合用メサ部
１１２、１１２_１〜１１２_３ 電子ガス排除電極
１１３、１１４、１１５_２〜１１５_３ ゲート電極
２０１ ２次元電子ガス層
２０２、２０４ 絶縁層
２０３ 基板
２０５ 導体部
４０１ オーミックコンタクトパッド

Claims (17)

1. 第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子とを結合する量子ビット結合方法において、前記第１及び第２の量子ビット素子の間の結合を電子ガスにより静電的に制御する制御段階を有することを特徴とする量子ビット可変結合方法。
2. 請求項１において、前記電子ガスを含む２次元電子ガス層を設けておき、前記制御段階は、前記２次元電子ガス層における前記電子ガスのポテンシャルをグランドに接地することにより、前記第１及び第２の量子ビット素子間の結合を切り離す段階を含むことを特徴とする量子ビット可変結合方法。
3. 請求項２において、前記制御段階は、更に、ガス排除電極に電圧を印加して前記２次元電子ガス層における前記電子ガスを少なくとも部分的に排除することにより、前記第１及び第２の量子ビット素子間を結合させる段階を含むことを特徴とする量子ビット可変結合方法。
4. 請求項３において、前記第１及び第２の量子ビット素子は、それぞれ超伝導量子箱電極、該超伝導量子箱電極にトンネルバリアを挟んで設けられた対向電極、及び、該超伝導量子箱電極にトンネルバリアを挟んで設けられた読み出し電極を有する量子ビット構造を備えると共に、ゲート電極を有する超伝導電荷量子ビット素子であって、前記ゲート電極を制御することによって前記超伝導量子箱電極の量子ビットの状態が操作されることを特徴とする超伝導電荷量子ビット可変結合方法。
5. 請求項４において、前記読み出し電極を用いて前記量子ビットの読み出しが行われることを特徴とする超伝導電荷量子ビット可変結合方法。
6. 第１及び第２の量子ビットと、第１及び第２の量子ビットと静電的に結合するように配置された２次元電子ガス層とを有することを特徴とする量子演算回路。
7. 請求項６において、前記２次元電子ガス層は接地されていることを特徴とする量子演算回路。
8. 請求項７において、更に、前記２次元電子ガス層中の電子ガスを排除するガス排除電極を備えたことを特徴とする量子演算回路。
9. 請求項８において、前記２次元電子ガス層を内部に配置したメサ構造を有し、前記第１及び第２の量子ビットと前記ガス排除電極とは、絶縁層を介して前記メサ構造の表面に形成されたことを特徴とする量子演算回路。
10. 請求項９において、前記第１及び第２の量子ビットは、超伝導量子箱電極、対向電極、及び、読み出し電極を含む超伝導電荷量子ビット素子であることを特徴とする量子演算回路。
11. 第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子との間を可変結合する可変結合器において、前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子の間を電子ガスにより結合する電子ガス層を有することを特徴とする可変結合器。
12. 請求項１１において、前記電子ガス層は、グランドに接続されていることを特徴とする可変結合器。
13. 請求項１２において、前記電子ガス層における前記電子ガスを少なくとも部分的に排除して前記結合の強さを制御するためのガス排除電極を有することを特徴とする可変結合器。
14. 請求項１３において、前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子は、超伝導量子箱電極にトンネルバリアを挟んで対向電極を結合して成る量子ビット構造をそれぞれ有する超伝導電荷量子ビット素子であって、前記量子ビット構造は、前記超伝導箱量子電極としての第１の超伝導量子箱電極及び第２の超伝導量子箱電の延在方向に対して平行に設けられたゲート電極を有しており、前記電子ガス層は、前記ゲート電極と離隔して配置されていることを特徴とする可変結合器。
15. 請求項１４において、前記電子ガス層は、前記電子ガスとして２次元電子ガスを持たせた半導体２次元電子ガス層であり、前記量子ビット構造は、絶縁層を介して前記半導体２次元電子ガス層と対向するように配置されており、前記ガス排除電極は、前記半導体２次元電子ガス層と部分的に静電的に結合されるように配設されていることを特徴とする可変結合器。
16. 請求項１５において、前記電子ガス層は、前記半導体２次元電子ガス層を含むメサ構造の内部に配置されたことを特徴とする可変結合器。
17. 請求項１０の量子演算回路を複数用いて組み合わせて構成される量子計算機において、前記超伝導量子箱電極の複数のものにおける単一のものが前記メサ構造の複数のものにおける二つのものに跨って配置されるように前記量子演算回路の複数のものを横一直線状に並設されるように繋げた構造を有し、前記複数のメサ構造をそれぞれ跨る前記ガス排除電極の複数のものを選択的に選定して電圧印加することにより、前記超伝導電荷量子ビット素子間の結合が選択的に制御されることを特徴とする量子計算機。
    

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