JP2012505414A - 磁場測定用のシステム、方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
本出願は、35U.S.C.119(e)下において2008年10月9日出願の米国仮特許出願第61/104,179号(“Systems, Methods and Apparatus for Measuring Magnetic Fields”)および2008年12月22日出願の米国仮特許出願第61/139,983号(“Systems, Methods and Apparatus for Measuring Magnetic Fields”)の利益を主張し、これら双方の全体を本願明細書に援用する。
多くの異なるハードウェア手法およびソフトウェア手法が量子コンピュータでの使用に検討されている。あるハードウェア手法では、アルミニウムおよび/またはニオビウムなどの超伝導体で形成された集積回路を用いて、超伝導量子ビットを画成する。超伝導量子ビットは、情報を符号化するのに使用される物理的特性に依存して、いくつかのカテゴリーに分類できる。例えば、超伝導量子ビットを電荷素子、磁束素子および位相素子に分類し得る。電荷素子は、素子の電荷状態で情報を記憶しかつ処理する;磁束素子は、素子のある部分を通る、磁束に関連する変化量で情報を記憶しかつ処理する;および位相素子は、超伝導層における位相素子の2つの領域間の差に関する変化量で情報を記憶しかつ処理する。
コンピュータプロセッサは、アナログプロセッサ、例えば超伝導量子プロセッサなどの量子プロセッサの形態とし得る。超伝導量子プロセッサは、いくつもの量子ビットおよび関連の局所的バイアス素子、例えば2つ以上の超伝導量子ビットをを含み得る。本システム、方法および装置と併せて使用され得る例示的な量子プロセッサのさらなる詳細および実施形態は米国特許第7,533,068号、米国特許出願公開第2008−0176750号、米国特許出願公開第2009−0121215号、およびPCT特許出願公開第PCT/US2009/037984号に記載されている。
コンピュータプロセッサは、従来の量子プロセッサではない可能性がある超伝導プロセッサの形態をとり得る。例えば、超伝導プロセッサの一部の実施形態は、量子トンネル現象、重ね合わせ、およびもつれなどの量子効果に基づいて動作するのではなく、むしろ、異なる原理、例えば古典的なコンピュータプロセッサの動作を支配する原理などを重視して動作し得る。しかしながら、そのような超伝導プロセッサを実装することに依然としてある種の利点が存在し得る。それら固有の物理的性質のために、超伝導プロセッサは概して、非超伝導プロセッサよりもスイッチング速度を高速に、かつ計算時間を短くすることが可能であり、それゆえ超伝導プロセッサでのある種の問題を解決するのに、より現実的とし得る。
従来技術によれば、超伝導体は一般的に、問題となる特定の材料の特徴である臨界温度未満に冷却される場合にのみ、超伝導体としての機能を果たし得る。このため、当業者には、超伝導プロセッサを実装するコンピュータシステムは、システムに超伝導体を冷却するための冷却システムを暗に含み得ることを理解されたい。そのような冷却システムのためのシステムおよび方法は当該技術分野では周知である。希釈冷凍機は、超伝導体として機能し得る温度への超伝導体の冷却で一般に実施される冷却システムの一例である。一般的な方法では、希釈冷凍機での冷却プロセスには、ヘリウムの少なくとも2つのアイソトープ(ヘリウム−3およびヘリウム−4など)の混合物を使用し得る。典型的な希釈冷凍機の動作の全詳細は、F. Pobell, Matter and Methods at Low Temperatures, Springer-Verlag Second Edition, 1996, pp. 120-156に見出され得る。しかしながら、当業者には、本システム、方法および装置は希釈冷凍機を伴う応用に限定されず、任意のタイプの冷却システムを使用して適用され得ることを理解されたい。
式中、nは各アームにおける接合数である。50個のアーム(すなわち、M=50)およびアーム毎に2つの接合(すなわち、n=2)を有する修正SQIFには、必然的に、歩留まりの見込み
を達成するために、約0.03(すなわち100分の3)の接合の短絡となる機能不全の見込みを伴うのみである。接合の短絡となる機能不全の見込み0.03は、接合の短絡となる機能不全の見込み0.001よりも超伝導製造施設において遥かに容易に達成可能である。それゆえ、各アームにおいて直列に接続された複数の接合のある修正SQIFは、各アームにおいて単一の接合のみを有するSQIFよりも遥かに生じやすいであろう。当業者には、パラメータM=50およびn=2は、本願明細書において一例を提供するためにのみ使用することを理解されたい。修正SQIFは、各アームに直列に接続された任意の数の接合n>1を有する任意の数のアームMを含み得る。
Claims (38)
- 装置の局所環境における磁場を測定するためのシステムであって、
臨界温度未満で超伝導である材料の平面的なループによって形成された超伝導閉電流路を含む第1の超伝導量子干渉素子(「SQUID」)であって、前記超伝導閉電流路が少なくとも1つのジョセフソン接合によって遮断されている、第1の超伝導量子干渉素子;
を含み、かつ
前記第1のSQUIDは前記装置に統合されて、前記第1のSQUIDが前記装置の主平面に保持されるようにし、および前記第1のSQUIDは、前記主平面に対して直角である前記装置の前記局所環境の磁場に応答する、システム。 - 前記装置が超伝導プロセッサチップを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記超伝導プロセッサチップが超伝導量子プロセッサを含む、請求項2に記載のシステム。
- さらに、
前記装置に対し十分に近傍に位置決めされた制御可能なヒータであって、前記制御可能なヒータから前記装置へ熱エネルギーを制御しながら移行させることを可能にする、制御可能なヒータ
を含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記制御可能なヒータが、LEDまたは抵抗器の少なくとも一方を含む、請求項4に記載のシステム。
- さらに、
臨界温度未満で超伝導である材料で形成されたチューブであって、前記チューブが内部空洞を含み、および前記装置が、前記内部空洞内に位置決めされて、前記装置を取り囲む、チューブ
を含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記第1のSQUIDの臨界温度が前記チューブの臨界温度よりも高い、請求項6に記載のシステム。
- さらに、
導電性ワイヤのコイルによって形成された少なくとも1つの補償コイルであって、前記チューブの少なくとも一部分が、前記少なくとも1つの補償コイルの周囲内に取り囲まれている、補償コイル;および
前記少なくとも1つの補償コイルを通るように電流を制御可能に流して補償磁場を生成するのに使用するための、前記少なくとも1つの補償コイルに電気的に結合された少なくとも1つの電流源を含むコンピュータ化されたシステム
を含む、請求項6に記載のシステム。 - 前記第1のSQUIDの読み出しに使用するために、前記コンピュータ化されたシステムが前記第1のSQUIDに電気的に結合されている、請求項8に記載のシステム。
- さらに、
臨界温度未満で超伝導である材料の平面的なループによって形成された超伝導閉電流路を含む第2のSQUIDであって、前記第2のSQUIDの前記超伝導閉電流路は少なくとも1つのジョセフソン接合によって遮断され、および前記第2のSQUIDは前記装置に統合されて、前記第2のSQUIDが前記装置の平面上に保持されている、第2のSQUID;
を含み、かつ
前記第1のSQUIDの前記超伝導閉電流路が第1の領域を取り囲み、および前記第2のSQUIDの前記超伝導閉電流路が第2の領域を取り囲む、請求項1に記載のシステム。 - 前記第2の領域が前記第1の領域よりも大きい、請求項10に記載のシステム。
- 前記第1のSQUIDの前記平面的なループおよび前記第2のSQUIDの前記平面的なループが互いに平行である、請求項10に記載のシステム。
- 前記第1のSQUIDの前記平面的なループおよび前記第2のSQUIDの前記平面的なループが同一平面上にある、請求項10に記載のシステム。
- さらに、
平面的でありかつ前記装置に統合されている第3のSQUIDであって、前記装置の主平面上に保持されている第3のSQUID
を含む、請求項10に記載のシステム。 - さらに、
前記装置に統合されている少なくとも1つの追加的なSQUIDであって、前記第1のSQUIDの前記平面的なループに対して直角である少なくとも1つの平面的な超伝導ループを含む少なくとも1つの追加的なSQUID
を含む、請求項1に記載のシステム。 - 装置の局所環境における磁場を測定するための超伝導量子干渉素子(「SQUID」)であって、
臨界温度未満で超伝導である材料の第1の平面的なループを含む超伝導閉電流路であって、前記超伝導閉電流路は少なくとも1つのジョセフソン接合によって遮断され、および前記SQUIDは前記装置に統合されて、前記第1の平面的なループが:
前記装置の第1の層に保持される前記超伝導閉電流路の第1のセグメント、前記装置の第2の層に保持される前記超伝導閉電流路の第2のセグメント、および前記超伝導閉電流路の第3および第4のセグメントであって、それらの各々が、前記装置の前記第1の層と前記第2の層との間を横断しかつ前記超伝導閉電流路の前記第1のセグメントと前記第2のセグメントを電気的に接続する、第3および第4のセグメント;
を含むようにする、超伝導閉電流路、および
臨界温度未満で超伝導である材料の第2の平面的なループであって、前記第2の平面的なループは、前記装置の前記第1の層に保持される前記超伝導閉電流路の第5のセグメント、前記装置の前記第2の層に保持される前記超伝導閉電流路の第6のセグメント、および前記超伝導閉電流路の第7および第8のセグメントであって、それらの各々が、前記装置の前記第1の層と前記第2の層との間を横断しかつ前記超伝導閉電流路の前記第5のセグメントと前記第6のセグメントを電気的に接続する、第7および第8のセグメントによって形成される、第2の平面的なループ
を含む、SQUID。 - 前記超伝導閉電流路が、リソグラフィックプロセスによって形成されたいくつもの超伝導トレースを含み、および前記超伝導閉電流路の前記第3、第4、第7、および第8のセグメントの各々が、それぞれ超伝導ビアを含む、請求項16に記載のSQUID。
- 前記第1の平面的なループおよび前記第2の平面的なループの双方が、前記装置の縦軸に対して直角である、請求項16に記載のSQUID。
- 前記第1の平面的なループおよび前記第2の平面的なループの双方が、前記装置の横軸に対して直角である、請求項16に記載のSQUID。
- 前記第2の平面的なループが前記第1の平面的なループと同軸的に整列されている、請求項19に記載のSQUID。
- 前記超伝導閉電流路がさらに、
臨界温度未満で超伝導である材料の少なくとも1つの追加的な平面的なループであって、前記第1の平面的なループ、前記第2の平面的なループ、および前記少なくとも1つの追加的な平面的なループが全て同軸的に整列されている、少なくとも1つの追加的な平面的なループ
を含む、請求項19に記載のSQUID。 - システムを取り囲む局所環境に合わせて調整された補償磁場を確立する方法であって、
前記システムを冷却するステップであって、前記システムが少なくとも1つの超伝導量子干渉素子(「SQUID」)を含み、かつ前記システムの冷却が、前記システムを前記少なくとも1つのSQUIDの臨界温度未満に冷却することを含むステップ;
前記少なくとも1つのSQUIDを使用して前記局所環境において磁場を測定するステップ;
前記局所環境の周囲に少なくとも部分的に巻き付けられている少なくとも1つの補償コイルに電流を供給するステップであって、前記電流が補償磁場を生成するステップ;
前記少なくとも1つのSQUIDを使用して前記局所環境において前記補償磁場の効果を測定するステップ;
制御可能なヒータを起動することによって、前記システムにおける少なくとも1つの超伝導構成部品の臨界温度超に前記システムの一部分を局所的に加熱し、それにより、前記システム内の前記少なくとも1つの超伝導構成部品によってトラップされた磁束を解放するステップ;
前記システムを再冷却するステップ;
前記少なくとも1つの補償コイルを流れる前記電流を調整することによって前記補償磁場を調整するステップ;および
前記少なくとも1つのSQUIDを使用して前記補償磁場の調整の効果を測定するステップ
を含む方法。 - 前記少なくとも1つの補償コイルを流れる前記電流を調整することが、コンピュータ化されたシステムを動作させて、前記少なくとも1つの補償コイルを流れる前記電流を調整することを含む、請求項22に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのSQUIDを使用して前記補償磁場の調整の効果を測定するステップが、前記コンピュータ化されたシステムを介して前記少なくとも1つのSQUIDを使用してなされた前記測定の読み出しを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記システムの一部分を局所的に加熱することが、局所的な制御可能なヒータを起動させることを含む、請求項22に記載の方法。
- さらに、
前記補償磁場の調整の所望の効果が得られるまで前記局所的な加熱、再冷却、調整、および測定を必要に応じて繰り返すこと
を含む、請求項22に記載の方法。 - さらに、
少なくとも部分的に前記局所環境を取り囲む中空超伝導チューブの臨界温度未満に前記システムをさらに冷却して、前記超伝導チューブが、前記調整された補償磁場をトラップするようにすること
を含む、請求項26に記載の方法。 - さらに、
前記少なくとも1つの補償コイルを流れる前記電流を停止すること
含む、請求項27に記載の方法。 - 第1の領域を有する第1の超伝導ループを画成するために第2のアームと並列に接続された第1のアームを有する第1の超伝導閉電流路;および
前記第1の領域とは異なる第2の領域を有する第2の超伝導ループを画成するために第2のアームと並列に接続された第1のアームを有する第2の超伝導閉電流路であって、前記第2の超伝導ループは前記第1の超伝導ループと並列に接続されて、前記第1の超伝導ループの前記第2のアームが、前記第2の超伝導ループの前記第1のアームとしての機能を果たす、第2の超伝導閉電流路;
を含む超伝導量子干渉フィルタ(「SQIF」)であって、各アームが、互いに直列に接続された少なくとも2つのジョセフソン接合によって遮断されている、SQIF。 - さらに、
前記第1の領域とも前記第2の領域とも異なる第3の領域を有する第3の超伝導ループを画成するために第2のアームと並列に接続された第1のアームを有する第3の超伝導閉電流路であって、前記第3の超伝導ループは前記第2の超伝導ループと並列に接続されて、前記第2の超伝導ループの前記第2のアームは前記第3の超伝導ループの前記第1のアームとしての機能を果たし、および各アームは、互いに直列に接続された少なくとも2つのジョセフソン接合によって遮断されている、第3の超伝導閉電流路
を含む、請求項28に記載のSQIF。 - さらに、
第2のアームと並列に接続された第1のアームをそれぞれ有するN個の追加的な超伝導閉電流路であって、前記N個の追加的な超伝導閉電流路の各々が、個々の領域をそれぞれ有するN個の追加的な超伝導ループの各々を画成し、および前記N個の追加的な超伝導ループの各々の前記領域が前記第1の領域、前記第2の領域、前記第3の領域、および前記他のN−1個の追加的な領域の各々と異なる、N個の追加的な超伝導閉電流路;
含み、かつ
前記N個の追加的な超伝導ループの各々は、互いに、および前記第1、前記第2、および前記第3の超伝導ループと並列に接続され、および各アームが、互いに直列に接続された少なくとも2つのジョセフソン接合によって遮断されている、請求項30に記載のSQIF。 - 各アームが、第2の臨界電流を有する各第2のジョセフソン接合と直列に接続された、第1の臨界電流を有する各第1のジョセフソン接合によって遮断され、および前記第2の臨界電流が、前記第1の臨界電流とは異なる、請求項29に記載のSQIF。
- 少なくとも2つの直列に接続されたジョセフソン接合によって遮断される第1の超伝導アーム;
少なくとも2つの直列に接続されたジョセフソン接合によって遮断される第2の超伝導アームであって、前記第1の超伝導アームと並列に接続されて、第1の領域を有する第1の超伝導ループを画成する第2の超伝導アーム;および
少なくとも2つの直列に接続されたジョセフソン接合によって遮断される第3の超伝導アームであって、前記第3の超伝導アームは、前記第2の超伝導アームと並列に接続されて、第2の領域を有する第2の超伝導ループを画成し、および前記第2の領域は前記第1の領域とは異なる、第3の超伝導アーム
を含む、超伝導量子干渉フィルタ(「SQIF」)。 - さらに、
少なくとも2つの直列に接続されたジョセフソン接合によって遮断される第4の超伝導アームであって、前記第4の超伝導アームは、前記第3の超伝導アームと並列に接続されて、第3の領域を有する第3の超伝導ループを画成し、および前記第3の領域は前記第1の領域とも第2の領域とも異なる、第4の超伝導アーム
を含む、請求項33に記載のSQIF。 - さらに
N個の追加的な超伝導アームであって、前記N個の追加的な超伝導アームの各々が、少なくとも2つの直列に接続されたジョセフソン接合によってそれぞれ遮断されており、および前記N個の追加的な超伝導アームの各々は、前記第1、第2、第3、および第4の超伝導アームとおよび前記他のN−1個の追加的な超伝導アームと並列に接続されて、前記第1の領域、前記第2の領域、前記第3の領域、および前記他のN−1個の追加的な領域の各々と異なる個々の領域をそれぞれ有するN個の追加的な超伝導ループを画成する、N個の追加的な超伝導アーム
を含む、請求項34に記載のSQIF。 - 各アームを遮断する、前記少なくとも2つの直列に接続されたジョセフソン接合が、第1の臨界電流を有する第1のジョセフソン接合、および前記第1の臨界電流とは異なる第2の臨界電流を有する第2のジョセフソン接合を含む、請求項33に記載のSQIF。
- 第1のノード、
第2のノード、
N個の超伝導電流路(Nは3以上である)であって、前記N個の超伝導電流路の各々は、前記第1のノードと前記第2のノードとの間で互いに電気的に並列に延在し、前記N個の超伝導電流路の連続的に隣接する電流路の対間のN−1個の領域を取り囲み、および前記N個の超伝導電流路の連続的に隣接する電流路の各対で囲まれる領域の大きさは、前記N個の超伝導電流路の連続的に隣接する電流路の他の対によって囲まれる領域の大きさと異なり、前記N個の超伝導電流路の各々は、互いに直列に電気的に結合された少なくとも2つのジョセフソン接合をそれぞれ含む、N個の超伝導電流路
を含む、超伝導量子干渉フィルタ(「SQIF」)。 - 前記N個の超伝導電流路の各々のために、互いに直列に電気的に結合された前記少なくとも2つのジョセフソン接合の各々は、前記各超伝導流路において互いに直列に電気的に結合された他のジョセフソン接合の各臨界電流と異なる臨界電流をそれぞれ有する、請求項37に記載のSQIF。
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