JP2009049631A - 素子状態読み出し装置、方法、および透過型ジョセフソン共振回路 - Google Patents
素子状態読み出し装置、方法、および透過型ジョセフソン共振回路 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】信号生成部10により、互いに異なるマイクロ波周波数からなる複数の周波数信号が合成された合成読み出しパルス10Sを生成して、分配器20Aで分配し、各透過型ジョセフソン共振回路31〜3Nにより、合成読み出しパルス10Sのうち当該共振周波数と共振する周波数信号に基づきジョセフソン分岐読み出し動作を行うことにより、対応する対象素子の磁束に応じて位相が変化した当該周波数信号を応答パルスとして出力し、合成器20Bにより、これら応答パルスを合成応答パルス20Sに合成し、位相検波部60により、合成応答パルス20Sに含まれる各周波数信号の位相を検波して、各対象素子の状態に応じた出力信号81〜8Nを出力する。
【選択図】 図1
Description
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、少ない読み出し線で多くの対象素子の動作状態を効率的に読み出すことができる素子状態読み出し装置、方法、および透過型ジョセフソン共振回路を提供することを目的としている。
このため、複数の対象素子の状態を少ない読み出し線で効率的に読むことが可能になり、膨大な数の量子ビット素子が必要となる実用的な量子コンピューティングにおいても、読み出し線を大幅に削減できる。また、読み出し線の削減に応じてこれら読み出し線からの熱流入を抑制でき、量子ビット素子数が増加した場合でも極低温環境を保つことが可能となる。
[素子状態読み出し装置]
まず、図1を参照して、本発明の一実施の形態にかかる素子状態読み出し装置について説明する。図1は、本発明の一実施の形態にかかる素子状態読み出し装置の構成を示すブロック図である。
次に、図1を参照して、本発明の一実施の形態にかかる素子状態読み出し装置の構成について詳細に説明する。
素子状態読み出し装置1は、主な機能部として、信号生成部10、素子制御部20、および位相検波部60から構成されている。以下では、素子状態読み出し装置1により、超伝導磁束量子ビット素子からなる対象素子の状態をジョセフソン分岐読み出し動作で読み出す場合を例として説明する。
信号生成部10は、互いに異なるマイクロ波周波数からなる複数の周波数信号が合成された合成読み出しパルスを生成する機能を有している。
この信号生成部10には、主な機能部として、信号発生器11〜1N、合成器10A、および読み出しパルス生成部10Bを有している。
合成器10Aは、これら信号発生器11〜1Nから出力された周波数信号を合成して合成周波数信号を生成する回路部である。
読み出しパルス生成部10Bは、合成器10Aで生成された合成周波数信号を整形することにより、所定の波形およびパルス長を有する合成読み出しパルス10Sを生成する回路部である。
読み出しパルス生成部10Bは、図2に示すように、任意波形発生器(AWG)10Cとミキサ10Dとから構成されている。
任意波形発生器10Cは、読み出しパルスの振幅とパルス長を決定する波形整形信号を出力する機能を有している。
ミキサ10Dは、合成器10Aで生成された合成周波数信号と任意波形発生器10Cからの波形整形信号とを積算処理することにより、合成読み出しパルス10Sを生成する機能を有している。
ミキサ10Dは、任意波形発生器10Cからの波形整形信号に基づいて、このような合成周波数信号を所望パルス長に相当する期間だけ出力するとともに、その先頭部の振幅をゼロから所望振幅値まで徐々に増加するよう波形整形することにより、所望の合成読み出しパルス10Sを生成する。
素子制御部20は、上記周波数信号に対応して設けられたN個の超伝導磁束量子ビット素子21〜2Nごとに、合成読み出しパルスに含まれる当該周波数信号からなる読み出しパルスを用いてジョセフソン分岐読み出し動作を行うことにより、各超伝導磁束量子ビット素子21〜2Nの状態に応じた応答パルスが合成された合成応答パルス20Sとして出力する機能を有している。
この素子制御部20には、図4に示すように、主な機能部として、分配器20A、減衰器51〜5N、透過型ジョセフソン共振回路31〜3N、および合成器20Bが設けられている。素子制御部20の全体的な構成としては、透過型ジョセフソン共振回路31〜3Nが、分配器20Aおよび合成器20Bを介して、信号生成部10と位相検波部60との間に並列接続された構成をなしている。これら機能部は、冷凍機(図示せず)により極低温環境に保たれている。
減衰器51〜5Nは、一般的な抵抗減衰器からなり、上記周波数信号に対応して超伝導磁束量子ビット素子21〜2Nごとに設けられ、分配器20Aと透過型ジョセフソン共振回路31〜3Nとの間を伝達する信号を減衰する機能を有している。特に、透過型ジョセフソン共振回路31〜3Nからは、合成読み出しパルス10Sのうち当該共振周波数以外の周波数成分が分配器20Aへ反射する。減衰器51〜5Nは、これら反射成分を減衰することにより、他の透過型ジョセフソン共振回路31〜3Nへの影響を抑制している。
合成器20Bは、これら透過型ジョセフソン共振回路31〜3Nからの応答パルスを合成することにより、合成応答パルスを生成する機能を有している。
透過型ジョセフソン共振回路31は、主な機能部として、SQUID磁束計31A、共振回路31B(第1の共振回路)、共振回路31C(第2の共振回路)、入力端31X、および出力端31Yから構成されている。
入力端31Xは、分配器20Aから分配された合成読み出しパルス10Sが入力される端子である。
出力端31Yは、SQUID磁束計31Aからの応答パルスを出力する端子である。
共振回路31Cは、SQUID磁束計31Aと出力端31Yとの間に接続されて、SQUID磁束計31Aから出力された応答パルスに含まれるマイクロ波周波数f(ω1)の周波数信号と共振する機能を有している。
超伝導磁束量子ビット素子21は、例えば5μm四方のサイズで、誘電体基板上に形成されたアルミニウムなどの超伝導ループから構成されており、この超伝導ループ上に3つのジョセフソン接合30A〜30Cを含んでいる。
この超伝導ループを流れる右回り「|e>」と左回り「|g>」の超伝導電流が、超伝導磁束量子ビット素子21の2状態に対応する。
SQUID磁束計31Aは、例えば7μm四方のサイズで、上記誘電体基板上であって超伝導磁束量子ビット素子21の外側を囲むように形成されたアルミニウムなどの超伝導ループから構成されており、この超伝導ループ上に2つのジョセフソン接合30D,30Eを含んでいる。
これら超伝導磁束量子ビット素子21およびSQUID磁束計31Aの製造方法や構成については公知の技術に基づくものであり、ここでの詳細な説明は省略する。
共振回路31Cは、伝送線路(マイクロストリップ線路)41Cと容量素子41Dとが直列接続された、透過型ジョセフソン共振回路31の共振周波数f(ω1)を有する直列共振回路から構成されており、超伝導磁束量子ビット素子21およびSQUID磁束計31Aと同一の誘電体基板上にそれぞれ形成されている。
これら共振回路の共振周波数は、容量素子の電極面積や電極間距離、あるいは伝送線路(抵抗素子)の線路長など、それぞれの回路素子の物理的属性値より調整すればよい。
したがって、読み出しパルスのマイクロ波周波数を適切に選ぶことによって、任意のジョセフソン共振回路を選択駆動して、対応する量子ビット素子の動作状態を読み出すことが可能になる。これにより、従来はそれぞれの量子ビット素子ごとに必要だった読み出し線と読み出し装置の数を減らすことができ、複数の量子ビット素子の読み出しに極めて有効である。
したがって、各透過型ジョセフソン共振回路31〜3Nは、合成読み出しパルス10Sのうち、共振回路31B,31Cで共振する周波数信号で駆動され、対応する超伝導磁束量子ビット素子21の状態に応じて位相変化した当該周波数信号が出力される。
位相検波部60は、素子制御部20の合成器20Bから出力された合成応答パルス20Sに含まれる各周波数信号の位相を検波して、各超伝導磁束量子ビット素子21〜2Nの状態に応じた出力信号71〜7Nを出力する機能を有している。
この位相検波部60には、主な機能部として、信号増幅器60A、分配器60B、位相検波器61〜6Nが設けられている。
分配器60Bは、信号増幅器60Aで増幅された合成応答パルス20Sを、等しい電力で複数に分配する機能を有している。
位相検波器61〜6Nは、周波数信号に対応して設けられたN個の超伝導磁束量子ビット素子21〜2Nごとに設けられ、当該周波数f(ω1)〜f(ωN)の周波数信号の位相を検波して、その位相変移量に相当する出力信号71〜7Nをそれぞれ出力する機能を有している。
合成応答パルス20Sは、図6に示すように、個々の超伝導磁束量子ビット素子の動作状態に応じて位相が変化した周波数信号が合成されている。位相検波器61〜6Nにおいて、分配器60Bから分配された合成応答パルス20Sをフーリエ変換すると、各周波数f(ω1)〜f(ωN)の周波数信号について、合成読み出しパルス10Sの周波数信号に対する位相変移量を得ることができる。
したがって、各周波数信号の位相変移量の値に応じて量子ビット状態をそれぞれ検出することができる。
次に、図8を参照して、本発明の一実施の形態にかかる素子状態読み出し装置の動作について説明する。図8は、本発明の一実施の形態にかかる素子状態読み出し装置の素子状態読み出し動作を示すフローチャートである。
続いて、読み出しパルス生成部10Bは、合成器10Aからの合成周波数信号を波形整形して、合成読み出しパルス10Sを生成する(ステップ102)。
合成器20Bは、透過型ジョセフソン共振回路31〜3Nから出力された応答パルスを合成して、合成応答パルス20Sを生成する(ステップ106)。
分配器60Bは、増幅された合成応答パルス20Sを、等しい電力で各位相検波器61〜6Nへ分配する(ステップ108)。
位相検波器61〜6Nは、分配器60Bから分配された合成応答パルスから、それぞれに対応する周波数f(ω1)〜f(ωN)の周波数信号の位相を検波して、その位相変移量に相当する出力信号71〜7Nをそれぞれ出力し(ステップ109)、一連の素子状態読み出し動作を終了する。
このように、本実施の形態では、互いに異なる共振周波数を持つ透過型ジョセフソン共振回路を並列接続して設け、互いに異なるマイクロ波周波数からなる複数の周波数信号を合成した合成読み出しパルスを生成して、これら透過型ジョセフソン共振回路へ分配し、これら透過型ジョセフソン共振回路からの応答パルスを合成して合成応答パルスを生成し、合成応答パルスに含まれる各周波数信号の位相を検波して、各超伝導磁束量子ビット素子の動作状態に応じた出力信号を出力している。
このため、複数の対象素子の状態を少ない読み出し線で効率的に読むことが可能になり、膨大な数の量子ビット素子が必要となる実用的な量子コンピューティングにおいても、読み出し線を大幅に削減できる。また、読み出し線の削減に応じてこれら読み出し線からの熱流入を抑制でき、量子ビット素子数が増加した場合でも極低温環境を保つことが可能となる。
Claims (6)
- 動作状態に応じて磁束が変化する複数の対象素子からそれぞれの磁束を検出することにより当該動作状態を読み出す素子状態読み出し装置であって、
互いに異なるマイクロ波周波数からなる複数の周波数信号が合成された合成読み出しパルスを生成する信号生成部と、
この信号生成部からの合成読み出しパルスを複数に分配する分配器と、
互いに異なる共振周波数を有するとともに前記対象素子ごとに設けられ、前記分配器から分配された合成読み出しパルスのうち当該共振周波数と共振する周波数信号に基づきジョセフソン分岐読み出し動作を行うことにより、対応する対象素子の磁束に応じて位相が変化した当該周波数信号を応答パルスとして出力する透過型ジョセフソン共振回路と、
これら透過型ジョセフソン共振回路から出力された応答パルスを合成し、合成応答パルスとして出力する合成器と、
この合成器からの合成応答パルスに含まれる各周波数信号の位相を検波して、前記各対象素子の状態に応じた出力信号を出力する位相検波部と
を備えることを特徴とする素子状態読み出し装置。 - 請求項1に記載の素子状態読み出し装置において、
前記透過型ジョセフソン共振回路は、
当該対象素子と磁気的に結合して設けられ、前記周波数信号からなる読み出しパルスに応じてジョセフソン分岐読み出し動作を行うことにより、当該対象素子の磁束に応じて位相が変化した当該周波数信号を応答パルスとして出力するSQUID磁束計と、
前記分配器から分配された合成読み出しパルスが入力される入力端と、
前記SQUID磁束計からの応答パルスを出力する出力端と、
前記入力端と前記SQUID磁束計との間に接続されて前記入力端から入力された合成読み出しパルスに含まれる当該周波数信号と共振する第1の共振回路と、
前記SQUID磁束計と前記出力端との間に接続されて前記SQUIDから出力された応答パルスに含まれる当該周波数信号と共振する第2の共振回路と
を有することを特徴とする素子状態読み出し装置。 - 請求項1に記載の素子状態読み出し装置において、
前記第1の分配器と前記各透過型ジョセフソン共振回路との間にそれぞれ設けられた信号減衰器をさらに備えることを特徴とする素子状態読み出し装置。 - 動作状態に応じて磁束が変化する複数の対象素子からそれぞれの磁束を検出することにより当該動作状態を読み出す素子状態読み出し方法であって、
互いに異なる周波数からなる複数の周波数信号が合成された合成読み出しパルスを生成するステップと、
前記合成読み出しパルスを複数に分配するステップと、
分配された合成読み出しパルスのうち前記対象素子ごとに固有の共振周波数と共振する周波数信号に基づいて、これら対象素子ごとにジョセフソン分岐読み出し動作を行うことにより、それぞれの対象素子の磁束に応じて位相が変化した当該周波数信号を応答パルスとして出力するステップと、
これら応答パルスを合成して合成応答パルスとして出力するステップと、
前記合成応答パルスに含まれる各周波数信号の位相を検波して、前記各対象素子の状態に応じた出力信号を出力するステップと
を備えることを特徴とする素子状態読み出し方法。 - 動作状態に応じて磁束が変化する対象素子から磁束に基づいて当該動作状態を検出する透過型ジョセフソン共振回路であって、
入力された読み出しパルスのうち固有のマイクロ波共振周波数と共振する周波数信号に基づいてジョセフソン分岐読み出し動作を行うことにより、対応する対象素子の状態に応じて位相が変化した当該周波数信号を応答パルスとして出力する透過型ジョセフソン共振回路。 - 請求項5に記載の透過型ジョセフソン共振回路において、
当該対象素子と磁気的に結合して設けられ、前記周波数信号からなる読み出しパルスに応じてジョセフソン分岐読み出し動作を行うことにより、当該対象素子の磁束に応じて位相が変化した当該周波数信号を応答パルスとして出力するSQUID磁束計と、
前記合成読み出しパルスが入力される入力端と、
前記SQUID磁束計からの応答パルスを出力する出力端と、
前記入力端と前記SQUID磁束計との間に接続されて前記入力端から入力された合成読み出しパルスに含まれる当該周波数信号と共振する第1の共振回路と、
前記SQUID磁束計と前記出力端との間に接続されて前記SQUIDから出力された応答パルスに含まれる当該周波数信号と共振する第2の共振回路と
を備えることを特徴とする透過型ジョセフソン共振回路。
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