JP2010271087A - Measuring apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To read the state of a sample under measurement without allowing a superconducting device which electromagnetically interacts with the sample that does not make it switch to a normal conducting state. <P>SOLUTION: A microwave pulse is input to a nonlinear resonance circuit 20 and excites it; the bistable state in the nonlinear resonance circuit 20 is allowed to adapt to a change in the physical state of a magnetic flux quantum bit device 22 which electromagnetically interacts with a SQUID 24, included in the nonlinear resonance circuit 20; and a response signal of the nonlinear resonance circuit 20 to the microwave pulse is detected by a detector 30. At least either one of the phase and amplitude of the response signal is detected, thereby measuring the state of the magnetic flux quantum bit device 22. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、測定装置、特に、被測定試料の状態を測定する測定装置に関する。   The present invention relates to a measuring apparatus, and more particularly to a measuring apparatus that measures the state of a sample to be measured.

量子コンピュータは、現在のコンピュータとは比較にならないほどの計算能力を実現する可能性が指摘されている。これは、現在のコンピュータでは１ビットについて０と１の値しか取り得ないのに対し、量子コンピュータに用いられる量子ビットでは０や１の値だけではなく量子力学の重ね合わせの原理に基づいて任意の割合で保持できるという量子ビットの持つ基本的な性質に由来する。   It has been pointed out that quantum computers may realize computational power that is incomparable to current computers. This is because the current computer can only take the values 0 and 1 for one bit, but the quantum bit used in the quantum computer is not limited to the values 0 and 1 but based on the principle of superposition of quantum mechanics. This comes from the basic property of qubits that can be held in proportion.

このような性質を持つ量子ビットとして、原子や光子などの自然界に存在するもののほか、超伝導素子や半導体素子などの人工的に作成された素子によっても実現できる。特に、超伝導素子は、量子ビットにおける量子重ね合わせ状態が壊れるまでの時間（すなわち、デコヒーレンスタイム）が比較的長い点で実現の可能性が高いと考えられている。たとえば、超伝導素子の一つである超伝導磁束量子ビットは、その量子状態によって超伝導ループを流れる電流の向きが変化する性質を持つ。   A qubit having such a property can be realized by an artificially created element such as a superconducting element or a semiconductor element, in addition to those existing in nature such as atoms and photons. In particular, it is considered that a superconducting element has a high possibility of realization in terms of a relatively long time until a quantum superposition state in a qubit is broken (that is, a decoherence time). For example, a superconducting flux qubit, which is one of superconducting elements, has the property that the direction of the current flowing through the superconducting loop changes depending on its quantum state.

従来、このような超伝導磁束量子ビットの量子状態を読み出すために、超伝導量子ビットと磁気的に結合する超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）が用いられている。
たとえば、非特許文献１には、量子ビットを流れる超伝導電流が作り出す微小磁場をＳＱＵＩＤを用いて検出し、ＳＱＵＩＤが超伝導状態から常伝導状態に相転移するときに発生する電圧を測定することによって超伝導磁束量子ビットの状態を読み出す方法が開示されている。 Conventionally, in order to read the quantum state of such a superconducting flux qubit, a superconducting quantum interference device (SQUID) that is magnetically coupled to the superconducting qubit has been used.
For example, in Non-Patent Document 1, a small magnetic field generated by a superconducting current flowing through a qubit is detected using a SQUID, and a voltage generated when the SQUID transitions from a superconducting state to a normal conducting state is measured. Discloses a method of reading the state of a superconducting flux qubit.

また、ジョセフソン結合を含む共振回路をマイクロ波で駆動するとジョセフソン結合に由来する非線形性に基づいて二つの安定状態を生じる「ジョセフソン分岐増幅現象」を超伝導伝送線路共振器に応用することにより、荷電量子ビットの状態を読み出す方法も提案されている(たとえば、非特許文献２参照)。   In addition, when a resonant circuit including Josephson coupling is driven by microwaves, the “Josephson bifurcation phenomenon” that generates two stable states based on nonlinearity derived from Josephson coupling is applied to a superconducting transmission line resonator. Thus, a method of reading the state of the charged qubit has also been proposed (see, for example, Non-Patent Document 2).

Caspar H. van der Wal, A. C. J. ter Haar, F. K. Wilhelm,R. N. Schouten, C. J. P. M. Harmans, T. P. Orlando, Seth Lloyd, J. E. Mooij, “Quantum Superposition of Macroscopic Persistent-Current States”, Science 290, p.773-777, (2000).Caspar H. van der Wal, ACJ ter Haar, FK Wilhelm, RN Schouten, CJPM Harmans, TP Orlando, Seth Lloyd, JE Mooij, “Quantum Superposition of Macroscopic Persistent-Current States”, Science 290, p.773-777, ( 2000). I. Siddiqi, R. Vijay, F. Pierre, C. M. Wilson, M. Metcalfe, C. Rigetti, L. Frunzio, M. Devoret : “RF-driven Josephson bifurcation amplifier for quantum measurement”. Phys. Rev. Lett. 93, 207002 (2004).I. Siddiqi, R. Vijay, F. Pierre, CM Wilson, M. Metcalfe, C. Rigetti, L. Frunzio, M. Devoret: “RF-driven Josephson bifurcation amplifier for quantum measurement”. Phys. Rev. Lett. 93 , 207002 (2004).

しかしながら、非特許文献１に記載された方法では、読み出しの際にＳＱＵＩＤを電圧状態にスイッチさせてしまうため、準粒子が発生して被測定量子ビットの測定後の状態を著しく乱すか破壊してしまい、さらに、準粒子が再結合するまで（すなわち、緩和時間程度の時間に亘り）次の測定ができない。このため、量子ビットの量子コヒーレンス時間内に複数回状態測定が可能なほど高速な読み出しができないという問題が生じる。量子エラー訂正などの、測定した状態に応じて状態を制御する種類の量子アルゴリズムを実現するためには、被測定量子ビットの状態を破壊せず量子コヒーレンス時間内での高速な読み出し方法が必要であり、非特許文献１に記載されたようなスイッチング測定で実現することは困難である。   However, in the method described in Non-Patent Document 1, since the SQUID is switched to a voltage state at the time of reading, quasiparticles are generated and the state after measurement of the measured qubit is significantly disturbed or destroyed. Furthermore, the next measurement cannot be performed until the quasiparticles recombine (that is, over a period of time corresponding to the relaxation time). For this reason, there arises a problem that reading cannot be performed so fast that the state measurement can be performed a plurality of times within the quantum coherence time of the qubit. In order to realize a quantum algorithm that controls the state according to the measured state, such as quantum error correction, a high-speed readout method within the quantum coherence time without destroying the state of the measured qubit is required. It is difficult to realize by switching measurement as described in Non-Patent Document 1.

また、非特許文献２に記載された方法では、荷電量子ビットに関するものは報告されているものの、量子コヒーレンスの面で有利と考えられる磁束量子ビットに関する報告は無い。   In addition, although the method described in Non-Patent Document 2 has been reported on charged qubits, there is no report on magnetic flux qubits that are considered advantageous in terms of quantum coherence.

そこで、本発明の目的は、被測定試料と電磁相互作用する超伝導素子を常伝導状態にスイッチさせないで試料の状態を高速に読み出すことのできる測定装置を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a measuring apparatus capable of reading out the state of a sample at high speed without switching a superconducting element that electromagnetically interacts with the sample to be measured to a normal state.

本発明にかかる測定装置は、被測定試料の状態を測定する測定装置であって、ジョセフソン結合または超伝導弱結合を含み、前記被測定試料と電磁相互作用する超伝導素子を有する非線形共振回路と、この非線形共振回路にマイクロ波信号を出力して励振し、前記非線形共振回路の複数の異なる安定状態を前記被測定試料の物理状態の変化に対応させる外部駆動回路と、前記マイクロ波信号に対する前記非線形共振回路の応答信号を検波してその応答信号の位相および振幅の少なくとも一つを検出する検波器とを備えている。   A measuring apparatus according to the present invention is a measuring apparatus for measuring a state of a sample to be measured, which includes a Josephson coupling or a superconducting weak coupling, and includes a superconducting element that electromagnetically interacts with the sample to be measured. And an external drive circuit that outputs and excites a microwave signal to the nonlinear resonant circuit, and makes a plurality of different stable states of the nonlinear resonant circuit correspond to changes in the physical state of the sample to be measured, and the microwave signal A detector for detecting a response signal of the nonlinear resonant circuit and detecting at least one of a phase and an amplitude of the response signal.

このような本発明にかかる測定装置において、前記非線形共振回路は、前記被測定試料とインダクタンスを介して磁気的に相互作用する超伝導素子を有するものとしてもよい。   In such a measuring apparatus according to the present invention, the nonlinear resonance circuit may include a superconducting element that magnetically interacts with the sample to be measured via an inductance.

また、本発明にかかる測定装置において、前記超伝導素子は、超伝導量子干渉素子としてもよい。   In the measuring apparatus according to the present invention, the superconducting element may be a superconducting quantum interference element.

さらに、本発明にかかる測定装置において、前記検波器は、前記マイクロ波信号に対する前記非線形共振回路からの透過マイクロ波信号または反射マイクロ波信号を検波するものとしてもよい。   Furthermore, in the measuring apparatus according to the present invention, the detector may detect a transmitted microwave signal or a reflected microwave signal from the nonlinear resonant circuit with respect to the microwave signal.

また、本発明にかかる測定装置において、前記複数の異なる安定状態は、複数の異なるマイクロ波コヒーレント状態であるものとしてもよい。   In the measurement apparatus according to the present invention, the plurality of different stable states may be a plurality of different microwave coherent states.

さらに、本発明にかかる測定装置において、前記複数の異なる安定状態は、複数の異なる非古典的マイクロ波コヒーレント状態であるものとしてもよい。   Furthermore, in the measuring apparatus according to the present invention, the plurality of different stable states may be a plurality of different non-classical microwave coherent states.

また、本発明にかかる測定装置において、前記非線形共振回路は、外部端子と前記超伝導素子との間にキャパシタを有するものとしてもよい。   In the measuring apparatus according to the present invention, the nonlinear resonance circuit may include a capacitor between an external terminal and the superconducting element.

さらに、本発明にかかる測定装置において、前記非線形共振回路は、伝送線路共振器としてもよい。また、前記検波器は、直交位相検波器としてもよい。加えて、前記被測定試料は超伝導磁束量子ビット素子としてもよい。   Furthermore, in the measurement apparatus according to the present invention, the nonlinear resonance circuit may be a transmission line resonator. The detector may be a quadrature detector. In addition, the sample to be measured may be a superconducting flux qubit element.

本発明にかかる測定装置によれば、非線形共振回路にマイクロ波信号を出力して励振し、非線形共振回路における複数の異なる安定状態を非線形共振回路に含まれる超伝導素子と電磁相互作用する被測定試料の物理状態の変化に対応させ、このマイクロ波信号に対する非線形共振回路の応答信号を検波器にて検波してその応答信号の位相および振幅の少なくとも一つを検出することにより、被測定試料の状態を測定することができる。
このように、マイクロ波信号に対する非線形共振回路の応答信号の位相および振幅の少なくとも一つを検波器にて検出することにより、超伝導素子を超伝導状態から常伝導状態へとスイッチさせることなく被測定試料の状態を測定することができる。したがって、超伝導素子が超伝導状態から常伝導状態にスイッチする際に発生する不具合、たとえば、超伝導素子に生じた電圧が試料の状態を著しく乱してしまい、超伝導素子が再び超伝導状態に戻るまで試料の状態の測定ができなくなることなどを抑制できる。この結果、超伝導素子を常伝導状態にスイッチさせないで試料の状態を高速に読み出すことができる。 According to the measurement apparatus of the present invention, a microwave signal is output to the nonlinear resonant circuit and excited, and a plurality of different stable states in the nonlinear resonant circuit are electromagnetically interacted with the superconducting element included in the nonlinear resonant circuit. Corresponding to the change in the physical state of the sample, the response signal of the nonlinear resonance circuit to the microwave signal is detected by a detector, and at least one of the phase and amplitude of the response signal is detected. The state can be measured.
Thus, by detecting at least one of the phase and amplitude of the response signal of the nonlinear resonant circuit with respect to the microwave signal by the detector, the superconducting element is switched from the superconducting state to the normal conducting state without being switched. The state of the measurement sample can be measured. Therefore, defects that occur when the superconducting element switches from the superconducting state to the normal conducting state, for example, the voltage generated in the superconducting element significantly disturbs the state of the sample, and the superconducting element is again in the superconducting state It is possible to prevent the state of the sample from being unable to be measured until it returns to. As a result, the state of the sample can be read at high speed without switching the superconducting element to the normal state.

図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる測定装置の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図２は、本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波パルス送信機の構成例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of the microwave pulse transmitter according to the first embodiment of the present invention. 図３は、本発明の第１の実施の形態における非線形共振器の構成例を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration example of the nonlinear resonator in the first embodiment of the present invention. 図４は、本発明の第１の実施の形態における直交位相検波器の構成例を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of the quadrature detector in the first embodiment of the present invention. 図５は、本発明にかかる第１の実施の形態にかかる測定装置により測定された磁束量子ビットの状態を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a state of the magnetic flux qubit measured by the measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図６は、本発明の第２の実施の形態にかかる測定装置の構成を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention.

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態にかかる磁束量子ビット２２の状態を測定する測定装置１００は、磁束量子ビット素子２２を含む非線形回路２０に対してマイクロ波パルスをマイクロ波パルス送信機１０から送信し、この非線形回路２０を透過したマイクロ波パルスを直交位相検波器３０にて検波することにより、磁束量子ビット素子２２の状態を読み出すものである。 [First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The measuring apparatus 100 for measuring the state of the magnetic flux qubit 22 according to the present embodiment transmits a microwave pulse from the microwave pulse transmitter 10 to the nonlinear circuit 20 including the magnetic flux qubit element 22, and this nonlinear circuit. The state of the magnetic flux qubit element 22 is read out by detecting the microwave pulse transmitted through 20 by the quadrature detector 30.

［測定装置１００の構成］
本実施の形態にかかる測定装置１００の構成を説明する。
実施の形態にかかる測定装置１００は、図１に示すように、外部駆動回路として作用するマイクロ波パルス送信機１０と、非線形共振回路２０と、直交位相検波器３０とにより構成されている。 [Configuration of Measuring Device 100]
A configuration of the measuring apparatus 100 according to the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, the measurement apparatus 100 according to the embodiment includes a microwave pulse transmitter 10 that acts as an external drive circuit, a nonlinear resonance circuit 20, and a quadrature detector 30.

マイクロ波パルス送信機１０は、図２に示すように、マイクロ波生成器１２と任意波形生成器１４とにより構成されている。マイクロ波発生器１２で生成されたマイクロ波は、任意波形発生器１４により作られたパルスによって切り取られ、パルス波やパルス波列などに変えられ、適切な電力で非線形共振回路２０に出力する。また、マイクロ波生成器１２により生成されたマイクロ波の一部は、参照信号として、直交位相検波器３０に直接出力される。   As shown in FIG. 2, the microwave pulse transmitter 10 includes a microwave generator 12 and an arbitrary waveform generator 14. The microwave generated by the microwave generator 12 is cut out by the pulse generated by the arbitrary waveform generator 14, converted into a pulse wave, a pulse wave train, and the like, and output to the nonlinear resonance circuit 20 with appropriate power. A part of the microwave generated by the microwave generator 12 is directly output to the quadrature detector 30 as a reference signal.

非線形共振回路２０は、図３に示すように、伝送線路２６（コプレナー線路）と、この伝送線路２６の途中に設けられ、被測定試料となる磁束量子ビット素子２２と磁気的に結合する超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２４と、伝送線路２６の両端、すなわち、伝送線路２６と外部端子との間に設けられたキャパシタ２８ａ、２８ｂとから構成されている。
このような非線形共振回路２０は、たとえば、シリコン基板上に、アルミニウムなどの超伝導体を蒸着することにより作製されている。ここで、伝送線路２６の接地パターンとしては、磁束の移動を抑えるためにメッシュ構造を取り入れている。また、磁束量子ビット素子２２周辺の超伝導体を排除することによって、超伝導体にトラップされた磁束の揺らぎが測定結果に影響を及ぼすことを抑制している。
磁束量子ビット素子２２は、たとえば１０μｍ四方のサイズで、アルミニウムの超伝導ループとして構成されており、この超伝導ループ上に３つのジョセフソン接合を含んでいる。
ＳＱＵＩＤ２４は、例えば１２μｍ四方のサイズで、シリコン基板上であって磁束量子ビット素子２２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を含んでいる。
なお、非線形共振回路２０に含まれる磁束量子ビット素子２２やＳＱＵＩＤ２４は、図示しない希釈冷凍機によって極低温（たとえば、５０〜１００ｍＫなど）の状態に保たれる。
この非線形共振回路２０を透過した透過マイクロ波信号（以下、「測定信号」という。）の位相および振幅には非線形共振回路２０に含まれる磁束量子ビット素子２２の状態が反映される。したがって、直交位相検波器３０を用いて測定信号の位相および振幅を参照信号の位相および振幅と比較することによって、磁束量子ビット素子２２の状態を読み出すことができる。 As shown in FIG. 3, the non-linear resonance circuit 20 is provided with a transmission line 26 (coplanar line) and a superconductivity that is magnetically coupled to the magnetic flux qubit element 22 that is a sample to be measured. A quantum interference element (SQUID) 24 and capacitors 28a and 28b provided at both ends of the transmission line 26, that is, between the transmission line 26 and external terminals.
Such a nonlinear resonant circuit 20 is produced by evaporating a superconductor such as aluminum on a silicon substrate, for example. Here, as the ground pattern of the transmission line 26, a mesh structure is adopted in order to suppress the movement of the magnetic flux. Further, by eliminating the superconductor around the magnetic flux qubit element 22, it is possible to suppress the fluctuation of the magnetic flux trapped in the superconductor from affecting the measurement result.
The magnetic flux qubit element 22 has a size of, for example, 10 μm square and is configured as an aluminum superconducting loop, and includes three Josephson junctions on the superconducting loop.
The SQUID 24 has a size of 12 μm square, for example, and is composed of a superconducting loop such as aluminum formed on the silicon substrate so as to surround the outside of the magnetic flux qubit element 22. Includes Josephson junction.
Note that the magnetic flux qubit element 22 and the SQUID 24 included in the nonlinear resonance circuit 20 are kept at an extremely low temperature (for example, 50 to 100 mK) by a dilution refrigerator not shown.
The phase and amplitude of a transmitted microwave signal (hereinafter referred to as “measurement signal”) that has passed through the nonlinear resonant circuit 20 reflects the state of the magnetic flux qubit element 22 included in the nonlinear resonant circuit 20. Therefore, the state of the magnetic flux qubit element 22 can be read by using the quadrature phase detector 30 to compare the phase and amplitude of the measurement signal with the phase and amplitude of the reference signal.

直交位相検波器３０は、図４に示すように、非線形共振回路２０を透過した測定信号と移相器３８により位相が適切に変えられた参照信号とを混合して、位相が参照信号と同調する成分（同位相成分）と、位相が参照信号と直交する成分（直交成分）とに分離するミキサ３２と、これら同位相成分と直交成分のＳ／Ｎを改善するローパスフィルタ３４ａ、３４ｂと、ローパスフィルタ３４ａ、３４ｂを透過して雑音成分が除去された同位相成分と直交成分とをそれぞれ増幅する増幅器３６ａ、３６ｂとから構成されている。
このように、測定信号の同位相成分および直交成分の二つ位相成分を取り出すことによって、測定信号の振幅および位相の双方を利用できる。したがって、振幅と位相とのいずれか一つのみを利用する場合に比べて高い精度にて磁束量子ビット素子２２の状態を読み出すことができる。
また、このように、測定信号の振幅および位相を調べることにより高い精度にて磁束量子ビット素子２２の状態を読み出すことができるので、ことさら読み出し用のＳＱＵＩＤを超伝導状態から常伝導状態に相転移させてＳＱＵＩＤに生じる電圧を測定する必要がない。つまり、ＳＱＵＩＤ２４を超伝導状態に維持した状態でも磁束量子ビット素子２２の状態を読み出すことができるため、ＳＱＵＩＤ２４の相転移に基づいて生じる不具合を抑制できる。 As shown in FIG. 4, the quadrature detector 30 mixes the measurement signal transmitted through the nonlinear resonance circuit 20 with the reference signal whose phase is appropriately changed by the phase shifter 38, and the phase is tuned with the reference signal. And a mixer 32 that separates a component having the same phase (in-phase component) and a component whose phase is orthogonal to the reference signal (orthogonal component), low-pass filters 34a and 34b that improve the S / N of the in-phase component and the orthogonal component, The amplifiers 36a and 36b amplify the in-phase component and the quadrature component, which are transmitted through the low-pass filters 34a and 34b and from which the noise component is removed, respectively.
Thus, by extracting the two phase components of the in-phase component and the quadrature component of the measurement signal, both the amplitude and phase of the measurement signal can be used. Therefore, the state of the magnetic flux qubit element 22 can be read with higher accuracy than when only one of the amplitude and phase is used.
In addition, since the state of the magnetic flux qubit element 22 can be read with high accuracy by examining the amplitude and phase of the measurement signal in this way, the SQUID for reading is further phase-shifted from the superconducting state to the normal state. It is not necessary to measure the voltage generated in the SQUID. That is, since the state of the magnetic flux qubit element 22 can be read even in a state where the SQUID 24 is maintained in the superconducting state, it is possible to suppress problems caused by the phase transition of the SQUID 24.

［測定原理］
次に、本実施の形態にかかる測定装置１００により磁束量子ビット素子２２の状態を測定する原理を説明する。
非線形共振回路２０は、共振周波数より若干小さい周波数のマイクロ波パルスがマイクロ波パルス送信機１０から入力された場合、入力されたマイクロ波パルスの強度が大きくなるにつれて、非線形共振回路２０を構成するＳＱＵＩＤ２４に含まれるジョセフソン結合の非線形性により駆動状態が非線形的に変化することがある。つまり、非線形共振回路２０は、マイクロ波パルス送信機１０により適切な周波数のマイクロパルス波が入力されたときには、マイクロ波パルスの強度に応じて二つの異なる安定状態（双安定状態）を取り得る。 [Measurement principle]
Next, the principle of measuring the state of the magnetic flux qubit element 22 using the measuring apparatus 100 according to the present embodiment will be described.
When a microwave pulse having a frequency slightly lower than the resonance frequency is input from the microwave pulse transmitter 10, the nonlinear resonance circuit 20 has a SQUID 24 that constitutes the nonlinear resonance circuit 20 as the intensity of the input microwave pulse increases. The driving state may change nonlinearly due to the nonlinearity of the Josephson coupling included in. That is, the nonlinear resonant circuit 20 can take two different stable states (bistable states) according to the intensity of the microwave pulse when a microwave pulse wave having an appropriate frequency is input from the microwave pulse transmitter 10.

磁束量子ビット素子２２には、超伝導ループに右回りで超伝導電流が流れる状態「｜Ｒ＞」と、左回りで超伝導電流が流れる状態「｜Ｌ＞」との二つの状態が存在する。特に、超伝導ループを貫く磁束が磁束量子の半整数倍（たとえば、１／２や３／２、５／２など。）のときには、｜Ｒ＞の状態をとる確率と｜Ｌ＞の状態をとる確率とが等しくなり、磁束量子ビット素子２２は量子ビットとして振る舞う。磁束量子ビット素子２２の状態が｜Ｒ＞と｜Ｌ＞との間でスイッチしたとき、つまり、磁束量子ビット素子２２の超伝導ループを流れる超伝導電流の向きが変化したときには、磁束量子ビット素子２２を貫く磁束が変化すると同時にＳＱＵＩＤ２４の中を貫く磁束も変化する。ＳＱＵＩＤ２４を貫く磁束が変化すると、ＳＱＵＩＤ２４のインダクタンスが若干（たとえば、０．１％など。）変化する。このインダクタンスの変化を引き金として非線形共振回路２０の状態が上述した双安定状態の一方からもう一方へとスイッチし、ＳＱＵＩＤ２４を流れるマイクロ波パルスの強度や位相が変化するよう、マイクロ波パルス送信機１０から送信されるマイクロ波パルスの強度を調整しておく。このような構成により、磁束量子ビット素子２２の｜Ｒ＞と｜Ｌ＞との間の量子状態の変化を、非線形共振回路２０のマクロな状態の変化として測定することができる。つまり、測定信号の位相や振幅の変化を直交位相検波器３０にて検出することにより、非線形共振回路２０の状態、すなわち、磁束量子ビット素子２２の状態を読み出せる。   The magnetic flux qubit device 22 has two states, a state “| R>” in which a superconducting current flows clockwise in the superconducting loop and a state “| L>” in which a superconducting current flows counterclockwise. . In particular, when the magnetic flux penetrating the superconducting loop is a half-integer multiple of the flux quantum (for example, 1/2, 3/2, 5/2, etc.), the probability of taking the state of | R> and the state of | L> And the magnetic flux qubit element 22 behaves as a qubit. When the state of the magnetic flux qubit element 22 switches between | R> and | L>, that is, when the direction of the superconducting current flowing through the superconducting loop of the magnetic flux qubit element 22 changes, the magnetic flux qubit element At the same time, the magnetic flux penetrating through the SQUID 24 changes. When the magnetic flux penetrating the SQUID 24 changes, the inductance of the SQUID 24 changes slightly (for example, 0.1%). Using this inductance change as a trigger, the state of the nonlinear resonant circuit 20 switches from one of the bistable states described above to the other, and the microwave pulse transmitter 10 changes so that the intensity and phase of the microwave pulse flowing through the SQUID 24 change. The intensity of the microwave pulse transmitted from is adjusted. With such a configuration, a change in quantum state between | R> and | L> of the magnetic flux qubit element 22 can be measured as a change in macro state of the nonlinear resonant circuit 20. That is, the state of the nonlinear resonance circuit 20, that is, the state of the magnetic flux qubit element 22 can be read by detecting the change in the phase and amplitude of the measurement signal by the quadrature detector 30.

なお、磁束量子ビット素子２２の状態の変化の前後で磁束量子ビット素子２２と磁気的に結合するＳＱＵＩＤ２４が超伝導状態から常伝導状態に相転移した場合には、ＳＱＵＩＤ２４が再び超伝導状態に戻るまで磁束量子ビット素子２２の状態を測定できず、磁束量子ビット素子２２の状態の高速に読み出すうえでの妨げとなる。このため、マイクロ波パルス送信機１０から送信されるマイクロ波パルスの電力を、ＳＱＵＩＤ２４が超伝導状態を維持できる範囲内に制限しておく。また、本実施の形態における非線形共振回路２０では、両端に配置されたキャパシタ２８ａ、２８ｂがＳＱＵＩＤ２４に流れる最大電流を制限しており、ＳＱＵＩＤ２４を超伝導状態に維持するのに役立っている。   Note that when the SQUID 24 that is magnetically coupled to the magnetic flux qubit device 22 before and after the change of the state of the magnetic flux qubit device 22 undergoes a phase transition from the superconducting state to the normal conducting state, the SQUID 24 returns to the superconducting state again. Thus, the state of the magnetic flux qubit element 22 cannot be measured, which hinders reading of the state of the magnetic flux qubit element 22 at high speed. For this reason, the power of the microwave pulse transmitted from the microwave pulse transmitter 10 is limited within a range in which the SQUID 24 can maintain the superconducting state. Further, in the nonlinear resonance circuit 20 in the present embodiment, the capacitors 28a and 28b arranged at both ends limit the maximum current flowing through the SQUID 24, which is useful for maintaining the SQUID 24 in a superconducting state.

また、非線形共振回路２０の非線形効果を発現させるためには、非線形共振回路２０のＱ値を適切な値に制御する必要がある。Ｑ値が比較的低いときには双安定状態が発生しなくなり、逆にＱ値が比較的に高いときには非線形共振回路２０の安定状態が変化する際の動作に時間がかかってしまうためである。
本実施の形態にかかる測定装置１００によれば、非線形共振回路２０のＱ値を決定するうえで非線形共振回路２０の両端に配置されたキャパシタ２８ａ、２８ｂが支配的な役割を果たす。つまり、両端に配置されたキャパシタ２８ａ、２８ｂの電極面積や電極間距離を調整することにより非線形共振回路２０のＱ値を所望の値に調整できるという利点がある。また、キャパシタ２８ａ、２８ｂは非線形共振回路２０の両端にそれぞれ独立に配置されているため、非線形共振回路２０を透過するマイクロ波パルスの強度を調整できるという利点もある。さらに、本実施の形態では、非線形共振器として共振周波数が主に線路長によって決定される伝送線路共振器を採用しているため、集中定数型のＬＣ共振器などに比べて共振周波数を制御しやすいという利点もある。 Further, in order to develop the nonlinear effect of the nonlinear resonant circuit 20, it is necessary to control the Q value of the nonlinear resonant circuit 20 to an appropriate value. This is because the bistable state does not occur when the Q value is relatively low, and conversely, when the Q value is relatively high, the operation when the stable state of the nonlinear resonant circuit 20 changes takes time.
According to the measuring apparatus 100 according to the present embodiment, the capacitors 28a and 28b arranged at both ends of the nonlinear resonant circuit 20 play a dominant role in determining the Q value of the nonlinear resonant circuit 20. That is, there is an advantage that the Q value of the nonlinear resonance circuit 20 can be adjusted to a desired value by adjusting the electrode area and the inter-electrode distance of the capacitors 28a and 28b arranged at both ends. Further, since the capacitors 28a and 28b are independently arranged at both ends of the nonlinear resonant circuit 20, there is an advantage that the intensity of the microwave pulse transmitted through the nonlinear resonant circuit 20 can be adjusted. Furthermore, in this embodiment, since a transmission line resonator whose resonance frequency is mainly determined by the line length is adopted as the nonlinear resonator, the resonance frequency is controlled as compared with a lumped constant type LC resonator. There is also an advantage that it is easy.

［測定結果］
続いて、このように構成された本実施の形態にかかる発明の測定装置１００による磁束量子ビット素子２２の状態の測定結果を説明する。
具体的には、磁束量子ビット素子２２を５０ｍＫ程度まで冷却し、図示しない制御ラインから磁束量子ビット素子２２に対して一定時間にわたってマイクロ波（マイクロ波パルス）を照射して磁束量子ビット素子２２の状態を制御した後に、磁束量子ビット素子２２の状態を測定した。
このようにして測定した磁束量子ビットの状態の存在確率と、磁束量子ビット素子２２にむかって照射したマイクロ波パルスのパルス長との関係を図５に示す。これは、非線形共振回路２０の共振周波数が７ＧＨｚ付近であるときの実験結果である。ここで、縦軸の小さい部分が磁束量子ビット素子２２の｜Ｒ＞状態に対応し、大きい部分が磁束量子ビット素子２２の｜Ｌ＞状態に対応している。このように、磁束量子ビット素子２２のコヒーレントな振動（すなわち、ラビ振動）を精度よく読み出し、磁束量子ビット素子２２の状態の存在確率がマイクロ波のパルス長に依存する様子を確認できた。
従来のようなＳＱＵＩＤ２４を超伝導状態から常伝導状態へとスイッチさせてＳＱＵＩＤ２４に生じる電圧を測定する方法では４０％程度の可視性しか実現できなかったのに対し、本実施の形態にかかる測定装置１００によれば９０％を超える高い可視性で磁束量子ビット素子２２の状態の読み出しを実現することに成功している。 [Measurement result]
Next, the measurement result of the state of the magnetic flux qubit element 22 by the measuring apparatus 100 according to the present embodiment configured as described above will be described.
Specifically, the magnetic flux qubit device 22 is cooled to about 50 mK, and a microwave (microwave pulse) is irradiated to the magnetic flux qubit device 22 from a control line (not shown) for a certain period of time. After controlling the state, the state of the magnetic flux qubit element 22 was measured.
FIG. 5 shows the relationship between the existence probability of the state of the magnetic flux qubit measured in this way and the pulse length of the microwave pulse irradiated toward the magnetic flux qubit element 22. This is an experimental result when the resonance frequency of the nonlinear resonance circuit 20 is around 7 GHz. Here, the small part of the vertical axis corresponds to the | R> state of the magnetic flux qubit element 22, and the large part corresponds to the | L> state of the magnetic flux qubit element 22. As described above, the coherent vibration (ie, Rabi vibration) of the magnetic flux qubit element 22 was accurately read, and it was confirmed that the existence probability of the state of the magnetic flux qubit element 22 depends on the pulse length of the microwave.
The conventional method of measuring the voltage generated in the SQUID 24 by switching the SQUID 24 from the superconducting state to the normal conducting state can realize only about 40% visibility, whereas the measuring apparatus according to the present embodiment According to 100, the state of the magnetic flux qubit element 22 can be read with high visibility exceeding 90%.

［本実施の形態にかかる測定装置により得られる効果］
以上説明した本実施の形態にかかる測定装置１００によれば、非線形共振回路２０にマイクロ波パルスを出力して励振し、非線形共振回路２０における双安定状態を非線形共振回路２０に含まれるＳＱＵＩＤ２４と電磁相互作用する磁束量子ビット素子２２の物理状態の変化に対応させ、このマイクロ波パルスに対する非線形共振回路２０の応答信号を直交位相検波器３０にて検波してその応答信号の位相および振幅の少なくとも一つを検出することにより、磁束量子ビット素子２２の状態を測定することができる。
このように、マイクロ波パルスに対する非線形共振回路２０の応答信号の位相および振幅の少なくとも一つを直交位相検波器３０にて検出することにより、ＳＱＵＩＤ２４を超伝導状態から常伝導状態へとスイッチさせることなく磁束量子ビット素子２２の状態を測定することができる。したがって、ＳＱＵＩＤ２４が超伝導状態から常伝導状態にスイッチする際に発生する不具合、たとえば、ＳＱＵＩＤ２４に生じた電圧が磁束量子ビット素子２２の状態を著しく乱してしまい、ＳＱＵＩＤ２４が再び超伝導状態に戻るまで磁束量子ビット素子２２の状態の測定ができなくなることなどを抑制できる。この結果、ＳＱＵＩＤ２４を常伝導状態にスイッチさせないで磁束量子ビット素子２２の状態を高速に読み出すことができる。 [Effects obtained by measuring apparatus according to this embodiment]
According to the measuring apparatus 100 according to the present embodiment described above, a microwave pulse is output to the nonlinear resonant circuit 20 to excite the bistable state in the nonlinear resonant circuit 20 and the SQUID 24 included in the nonlinear resonant circuit 20 and the electromagnetic wave. Corresponding to the change in the physical state of the interacting magnetic flux qubit element 22, the response signal of the nonlinear resonance circuit 20 to this microwave pulse is detected by the quadrature detector 30, and at least one of the phase and amplitude of the response signal is detected. By detecting one, the state of the magnetic flux qubit element 22 can be measured.
In this way, the SQUID 24 is switched from the superconducting state to the normal conducting state by detecting at least one of the phase and amplitude of the response signal of the nonlinear resonant circuit 20 to the microwave pulse by the quadrature detector 30. The state of the magnetic flux qubit element 22 can be measured. Therefore, a malfunction that occurs when the SQUID 24 switches from the superconducting state to the normal conducting state, for example, the voltage generated in the SQUID 24 significantly disturbs the state of the magnetic flux qubit element 22, and the SQUID 24 returns to the superconducting state again. It can be suppressed that the state of the magnetic flux qubit element 22 cannot be measured. As a result, the state of the magnetic flux qubit element 22 can be read at high speed without switching the SQUID 24 to the normal conduction state.

［第２の実施の形態］
上述した第１の実施の形態にかかる測定装置１００では、マイクロ波パルス送信機１０から送信されたマイクロ波パルスのうち、非線形共振回路２０を透過したマイクロ波パルスを測定信号として用いたが、第２の実施の形態にかかる測定装置は、非線形共振回路２０により反射されたマイクロ波パルスを測定信号として用いるものである。この場合、図６に示すように、測定装置２００のように、マイクロ波パルス送信機１０と非線形共振回路２０との間に分離器４０を配置し、この分離器４０を介して非線形共振回路２０から反射された測定信号とマイクロ波パルス送信機１０からの参照信号とを直交位相検波器３０に入力する。
ここで、マイクロ波パルス送信機１０、非線形共振回路２０、直交位相検波器３０の基本的な構成は、非線形共振回路の一端が接地されている点を除き、第１の実施の形態にかかる測定装置１００の構成と共通するので、その詳細な説明は省略する。 [Second Embodiment]
In the measurement apparatus 100 according to the first embodiment described above, the microwave pulse transmitted through the nonlinear resonance circuit 20 among the microwave pulses transmitted from the microwave pulse transmitter 10 is used as the measurement signal. The measurement apparatus according to the second embodiment uses a microwave pulse reflected by the nonlinear resonance circuit 20 as a measurement signal. In this case, as shown in FIG. 6, a separator 40 is disposed between the microwave pulse transmitter 10 and the nonlinear resonant circuit 20 as in the measurement apparatus 200, and the nonlinear resonant circuit 20 is interposed via the separator 40. And the reference signal from the microwave pulse transmitter 10 is input to the quadrature detector 30.
Here, the basic configuration of the microwave pulse transmitter 10, the nonlinear resonant circuit 20, and the quadrature detector 30 is the measurement according to the first embodiment except that one end of the nonlinear resonant circuit is grounded. Since it is common with the structure of the apparatus 100, the detailed description is abbreviate | omitted.

なお、上述した実施の形態では、ＳＱＵＩＤ２４を用いて磁束量子ビット素子２２の状態を測定しているが、ジョセフソン結合や超伝導弱結合を含み、測定対象と電磁相互作用するものであれば、他のいかなる形態の超伝導素子を用いて磁束量子ビット素子２２の状態を測定してもかまわない。   In the above-described embodiment, the state of the magnetic flux qubit element 22 is measured using the SQUID 24. However, as long as it includes Josephson coupling and superconducting weak coupling and electromagnetically interacts with the measurement target, The state of the flux qubit element 22 may be measured using any other form of superconducting element.

また、上述した実施の形態では、磁束量子ビット素子２２の状態を測定するものとしたが、ＳＱＵＩＤ２４と電磁誘導的に相互作用するものであれば、たとえば荷電量子ビット素子の状態や磁性体などの試料の状態を測定するものとしてもかまわない。   In the above-described embodiment, the state of the magnetic flux qubit element 22 is measured. However, as long as it interacts with the SQUID 24 in an electromagnetic induction manner, for example, the state of the charged qubit element, the magnetic material, etc. The sample state may be measured.

さらに、上述した実施の形態では、非線形共振回路２０の両端にはキャパシタ２８ａ、２８ｂが設けられているが、キャパシタは片方の端だけに設けられているものとしてもよいし、いずれの端部にも設けられていないものとしてもよい。   Further, in the above-described embodiment, the capacitors 28a and 28b are provided at both ends of the nonlinear resonant circuit 20, but the capacitor may be provided only at one end, or at either end. May not be provided.

また、上述した実施の形態では、線形共振回路２０はコプレナー型の伝送線路２６を含むものとしたが、他の形態の伝送線路を含むものとしてもかまわない。   In the above-described embodiment, the linear resonant circuit 20 includes the coplanar transmission line 26. However, the linear resonant circuit 20 may include another form of transmission line.

さらに、上述した実施の形態では、直交位相検波器３０により非線形共振回路２０を透過したマイクロ波パルスを測定するものとしたが、直交位相検波器に限定されるものではなく、マイクロ波信号に対する非線形共振回路の応答信号を検波してその応答信号の位相および振幅の少なくとも一つを検出するものであればいかなる形態の検波器を用いてもかまわない。   Furthermore, in the above-described embodiment, the microwave pulse transmitted through the nonlinear resonant circuit 20 is measured by the quadrature detector 30; however, the present invention is not limited to the quadrature detector, and is nonlinear with respect to the microwave signal. Any form of detector may be used as long as it detects the response signal of the resonance circuit and detects at least one of the phase and amplitude of the response signal.

また、上述した実施の形態では、非線形共振回路２０の安定状態の数は二つとして説明したが、複数であればよく、たとえば三つや四つなどとしてもかまわない。   In the above-described embodiment, the number of the stable states of the nonlinear resonant circuit 20 has been described as two. However, it may be any number, for example, three or four.

さらに、上述した実施の形態では、非線形共振回路２０の安定状態は、マイクロ波パルスが送信された際に実現する双安定状態として説明したが、この双安定状態は古典的マイクロ波コヒーレント状態や非古典的マイクロ波コヒーレント状態であってもかまわない。   Furthermore, in the above-described embodiment, the stable state of the nonlinear resonant circuit 20 has been described as a bistable state that is realized when a microwave pulse is transmitted. However, this bistable state is a classical microwave coherent state or a non-stable state. It may be in the classical microwave coherent state.

本発明は、試料の状態を測定する測定装置の製造産業などに利用可能である。   The present invention can be used in the manufacturing industry of measuring devices for measuring the state of a sample.

１０…マイクロ波パルス送信機、１２…マイクロ波生成器、１４…任意波形発生器、２０…非線形共振回路、２２…磁束量子ビット素子、２４…ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）、２６…伝送線路、２８ａ、２８ｂ…キャパシタ、３０…直交位相検波器、３２…ミキサ、３４ａ、３４ｂ…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、３６ａ、３６ｂ…増幅器、３８…移相器、４０…分離器、１００、２００…測定装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Microwave pulse transmitter, 12 ... Microwave generator, 14 ... Arbitrary waveform generator, 20 ... Nonlinear resonance circuit, 22 ... Magnetic flux qubit device, 24 ... SQUID (superconducting quantum interference device), 26 ... Transmission line 28a, 28b ... capacitor, 30 ... quadrature phase detector, 32 ... mixer, 34a, 34b ... low pass filter (LPF), 36a, 36b ... amplifier, 38 ... phase shifter, 40 ... separator, 100, 200 ... measurement apparatus.

Claims (10)

被測定試料の状態を測定する測定装置であって、
ジョセフソン結合または超伝導弱結合を含み、前記被測定試料と電磁相互作用する超伝導素子を有する非線形共振回路と、
この非線形共振回路にマイクロ波信号を入力して励振し、前記非線形共振回路における複数の異なる安定状態を前記被測定試料の物理状態の変化に対応させる外部駆動回路と、
前記マイクロ波信号に対する前記非線形共振回路の応答信号を検波してその応答信号の位相および振幅の少なくとも一つを検出する検波器と
を備えることを特徴とする測定装置。 A measuring device for measuring the state of a sample to be measured,
A non-linear resonant circuit comprising a superconducting element including a Josephson coupling or a superconducting weak coupling and electromagnetically interacting with the sample to be measured;
An external drive circuit that inputs and excites a microwave signal to the nonlinear resonant circuit, and makes a plurality of different stable states in the nonlinear resonant circuit correspond to changes in the physical state of the sample to be measured;
And a detector for detecting a response signal of the nonlinear resonant circuit with respect to the microwave signal and detecting at least one of a phase and an amplitude of the response signal. 被測定試料の状態を測定する測定装置であって、
ジョセフソン結合または超伝導弱結合を含み、前記被測定試料とインダクタンスを介して磁気的に相互作用する超伝導素子を有する非線形共振回路と、
この非線形共振回路にマイクロ波信号を入力して励振し、前記非線形共振回路における複数の異なる安定状態を前記被測定試料の物理状態の変化に対応させる外部駆動回路と、
前記マイクロ波信号に対する前記非線形共振回路の応答信号を検波してその応答信号の位相および振幅の少なくとも一つを検出する検波器と
を備えることを特徴とする測定装置。 A measuring device for measuring the state of a sample to be measured,
A nonlinear resonant circuit including a superconducting element including a Josephson coupling or a superconducting weak coupling and magnetically interacting with the sample to be measured via an inductance;
An external drive circuit that inputs and excites a microwave signal to the nonlinear resonant circuit, and makes a plurality of different stable states in the nonlinear resonant circuit correspond to changes in the physical state of the sample to be measured;
And a detector for detecting a response signal of the nonlinear resonant circuit with respect to the microwave signal and detecting at least one of a phase and an amplitude of the response signal. 請求項１または２に記載された測定装置において、
前記超伝導素子は、超伝導量子干渉素子であることを特徴とする測定装置。 The measuring device according to claim 1 or 2,
The superconducting element is a superconducting quantum interference element. 請求項１〜３のいずれか一つに記載された測定装置において、
前記検波器は、前記マイクロ波信号に対する前記非線形共振回路からの透過マイクロ波信号または反射マイクロ波信号を検波することを特徴とする測定装置。 In the measuring apparatus as described in any one of Claims 1-3,
The measuring device detects a transmitted microwave signal or a reflected microwave signal from the nonlinear resonance circuit with respect to the microwave signal. 請求項１〜４のいずれか一つに記載された測定装置において、
前記複数の異なる安定状態は、複数の異なるマイクロ波コヒーレント状態であることを特徴とする測定装置。 In the measuring apparatus as described in any one of Claims 1-4,
The plurality of different stable states are a plurality of different microwave coherent states. 請求項１〜４のいずれか一つに記載された測定装置において、
前記複数の異なる安定状態は、複数の異なる非古典的マイクロ波コヒーレント状態であることを特徴とする測定装置。 In the measuring apparatus as described in any one of Claims 1-4,
The measuring apparatus, wherein the plurality of different stable states are a plurality of different non-classical microwave coherent states. 請求項１〜６のいずれか一つに記載された測定装置において、
前記非線形共振回路は、外部端子と前記超伝導素子との間にキャパシタを有することを特徴とする測定装置。 In the measuring apparatus as described in any one of Claims 1-6,
The nonlinear resonance circuit has a capacitor between an external terminal and the superconducting element. 請求項１〜７のいずれか一つに記載された測定装置において、
前記非線形共振回路は、伝送線路共振器であることを特徴とする測定装置。 In the measuring apparatus as described in any one of Claims 1-7,
The non-linear resonance circuit is a transmission line resonator. 請求項１〜８のいずれか一つに記載された測定装置において、
前記検波器は、直交位相検波器であることを特徴とする測定装置。 In the measuring apparatus as described in any one of Claims 1-8,
The measuring device is a quadrature phase detector. 請求項１〜９のいずれか一つに記載された測定装置において、
前記被測定試料は超伝導磁束量子ビット素子であることを特徴とする測定装置。 In the measuring apparatus as described in any one of Claims 1-9,
The measuring apparatus is a superconducting magnetic flux qubit element.
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