JP2014503880A - 量子プロセッサ - Google Patents

Abstract

本発明の１つの実施形態は、量子プロセッサシステムを含む。量子プロセッサシステムは、第１の特性周波数を有する第１の共振器と、第１の特性周波数よりも大きい第２の特性周波数を有する第２の共振器とを含む。第１の共振器および第２の共振器の各々に、キュビットセルが結合される。キュビットセルは、第１の特性周波数および第２の特性周波数を含む周波数範囲にわたって同調可能な周波数を有する。第１の共振器と第２の共振器との間で量子情報を転送するように、キュビットセルの周波数を同調させるように古典的制御機構が構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、量子計算システムに関し、詳細には、量子プロセッサに関する。

古典的なコンピュータは、古典物理学の法則にしたがって状態を変える情報のバイナリビットを処理することによって動作する。これらの情報ビットは、ＡＮＤゲートおよびＯＲゲートのような単純な論理ゲートを使用することによって変更され得る。バイナリビットは、論理１（たとえば、高電圧）または論理０（たとえば、低電圧）のいずれかを表すために論理ゲートの出力において生じる高エネルギーレベルまたは低エネルギーレベルによって物理的に作成される。２つの整数を乗算するアルゴリズムのような古典的アルゴリズムは、これらの単純な論理ゲートの長いストリングへと分解され得る。量子計算プロセスは、また、論理ゲートを用いて情報のビットを操作するが、論理１および論理０を使用する代わりに、同時に両方の可能性をもつ量子ビット（「キュビット」）が生成され得る。したがって、量子計算は、古典的なコンピュータの効率よりも指数関数的に大きい効率で、より大きいクラスの問題を解決することができ得ることが予想される。

本発明の１つの態様によれば、量子プロセッサシステムは、第１の特性周波数を有する第１の共振器と、第１の特性周波数よりも大きい第２の特性周波数を有する第２の共振器とを含む。第１の共振器および第２の共振器の各々に、キュビットセルが結合される。キュビットセルは、第１の特性周波数および第２の特性周波数を含む周波数範囲にわたって同調可能な周波数を有する。第１の共振器と第２の共振器との間で量子情報を転送するように、キュビットセルの周波数を同調させるように古典的制御機構が構成される。

本発明の別の態様によれば、量子プロセッサシステムは、量子情報を記憶するように構成された複数の共振器を含む。第１の論理演算のために複数のキュビットセルの第１のセットが構成される。キュビットセルの第１のセットのうちの各々は、複数の共振器のうちの少なくとも１つに結合される。第２の論理演算のために複数のキュビットセルの第２のセットが構成される。キュビットセルの第２のセットのうちの各々は、複数の共振器のうちの少なくとも１つに結合される。第３の論理演算のために複数のキュビットセルの第３のセットが構成される。キュビットセルの第３のセットのうちの各々は、複数の共振器のうちの少なくとも１つに結合される。

本発明のさらに別の態様によれば、量子プロセッサシステムにおいて論理ゲート演算を実行するための方法が提供される。第１の共振器から、第２の共振器に結合された第１のキュビットに量子情報のアイテムを転送する。第１のキュビットは、マルチキュビット論理ゲート演算において使用するために最適な第１の構造を有する。量子情報の処理済みアイテムを生成するように、第２の共振器に結合された少なくとも第２のキュビットの論理状態によって制御された第１のキュビットに対して、量子論理ゲート演算を実行する。第２の共振器から、第３の共振器に結合された第３のキュビットに量子情報の処理済みアイテムを転送する。第３のキュビットは、第３のキュビットに記憶された量子情報に対する忠実度の高い読取り演算を可能にするように構成された第２の構造を有する。第３のキュビットから、論理出力として量子情報の処理済みアイテムを読み取る。

本発明の一態様による量子プロセッサの一例を示す図である。 本発明の一態様によるエネルギー準位図の一例を示す図である。 本発明の一態様による量子伝送線路の一例を示す図である。 本発明の一態様による量子システムの一例を示す図である。 本発明の一態様による量子プロセッサにおいて論理ゲート演算を実行するための方法の一例を示すである。

本発明は、一般に、量子計算システムに関し、詳細には、量子論理演算を行うための量子プロセッサアセンブリに関する。量子プロセッサは、量子情報のための複数の記憶媒体と、量子情報を実質的に変えることなく記憶媒体の個別のユニット間で量子情報をパスするための少なくとも１つの機構とを含み得る。本発明の一態様によるプロセッサアーキテクチャの直接的な利益は、様々な論理ゲート演算および他の演算を実装するために専用の構成要素を利用することができることであり、プロセッサ機能の効率的な実装形態が可能になる。

本発明で使用する場合、共振器は、情報の量子ビットの全部または一部分を記憶するために使用することができる、複数の量子状態を有する物理アセンブリである。たとえば、共振器は、伝送線路、共振キャビティ、または所与のアプリケーションに適した任意の他の構造として実装することができる。一般に、共振器は一定である特性周波数を有するが、所与のアプリケーションによって必要とされる場合、同調可能な共振器アセンブリを使用することができることが了解されよう。キュビットセルは、制御機構に応答して同調可能である、複数のエネルギー状態を有する物理アセンブリである。たとえば、キャパシタの電界とインダクタの磁界と超電導位相差との何らかの組合せの間でエネルギーを伝達することができる発振器として、キュビットセルを実装することができる。キュビットセルの例示的な実装形態は、ジョセフソン接合、量子ドット、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）、クーパー対箱、およびイオントラップのうちの１つまたは複数を含むことができる。一貫し明確な用語を維持するために、本明細書では「キュビット」という用語は、１つまたは複数の共振器またはキュビットセルに記憶された量子情報のアイテムを指す。

各アセンブリは、量子情報を記憶するように構成された複数の共振器と、共振器に記憶された量子情報を操作するように構成された複数のキュビットセルとを含むことができる。量子情報の所与のアイテムは、所与の共振器またはキュビットセルの物理量子状態には限定されず、むしろ、情報を記憶した共振器またはキュビットセルの複数の物理量子状態の線形重畳を表し得ることが理解されよう。量子情報の所与のアイテムは、複数のキュビットセルおよび共振器に記憶することができるが、複数のキュビットセルおよび共振器の各々の物理量子状態の線形重畳によって表すことができることがさらに了解されよう。さらに、本発明の任意の２つの構成要素が「結合された」のように説明される場合、その用語は、電気導体を用いた機械結合のような物理結合の手段だけではなく、容量結合、誘導結合、磁気結合、核結合および光結合を含む任意の他の適切な結合手段、あるいは上記のいずれかの組合せを包含するものであることが了解されよう。

図１に、本発明の一態様による量子プロセッサ１０を示す。図示された量子システム１０は、関連する古典的制御機構１４を有する少なくとも１つのキュビットセル１２を含む。「古典的（な）」という用語は、制御の様式が一般に古典物理学の法則にしたがって挙動することを示す。たとえば、古典的制御機構は、キュビットセルに提供される電流、電圧または磁束のパラメータのような古典的制御パラメータのマグニチュードを変更することによって、周波数を、したがって、キュビットの対応するエネルギーを調整することができる。図示のプロセッサ１０において、古典的制御機構１４は、２つの別個の演算を介して古典的制御パラメータを遷移させることができる。１つは、断熱掃引、すなわち、掃引システムの特性エネルギーに対して低速の遷移である。掃引中、制御パラメータが調整されると、キュビットの状態はシステムのエネルギー輪郭を追跡する。２つ目はジャンプであり、掃引システムの特性エネルギーに対して高速の遷移である。ジャンプは、掃引システムの量子状態を変更することなしに掃引システムのエネルギーを瞬時に変更するために、ハミルトン関数の対称性を利用する。

量子プロセッサ１０は、各々がキュビットセルに結合されている第１の共振器１６と第２の共振器１８とを含む。共振器の実装形態は特定の技術には制限されず、たとえば、第１の共振器１６および第２の共振器１８は、伝送線路共振器、集中定数素子共振器、分布共振器、またはそれらの組合せとして構成することができることが了解されよう。別の例として、第１の共振器１６および第２の共振器１８は、それぞれの端部に容量ギャップまたは誘導ギャップを備える共面導波路、ストリップライン導波路、マイクロストリップ導波路、スロットライン導波路、または同軸導波路から形成することができる。量子プロセッサ１０は、古典的制御機構１４の操作により、論理キュビットによって表される量子情報を第１の共振器１６と第２の共振器１８との間で遷移させることができるように構成される。

本発明の一態様によれば、キュビットセル１２に結合された共振器１６および１８の各々は異なる共振周波数を有し、それにより、第１の共振器１６の第１の励起状態のエネルギーは、第２の共振器１８の第１の励起状態のエネルギーとは異なる。一例として、第１の共振器は約１０ＧＨｚの周波数を有することがあり、第２の共振器は約１５ＧＨｚの周波数を有することがある。図１の共振器／キュビットセル／共振器システムのエネルギー状態は、図２に、エネルギー準位図５０として示されている。

図示のエネルギー準位図５０では、共振器／キュビットセル／共振器システムのエネルギーは、垂直軸によって表され、古典的制御パラメータの値は水平軸上に表される。一例として、Ｐ１は、キュビットセルにおいて１０ＧＨｚ未満の周波数を生じる古典的制御パラメータの第１の値に対応することができ、Ｐ２は、キュビットセルにおいて１０ＧＨｚ〜１５ＧＨｚの周波数を生じる古典的制御パラメータの第２の値に対応することができ、Ｐ３は、キュビットセルにおいて１５ＧＨｚよりも大きい周波数を生じる古典的制御パラメータの第３の値に対応することができる。エネルギー準位図５０、ならびに複数の量子論理ゲートを実行するために第１のキュビット１２と共振器１６および１８との間のエネルギー状態を操作することに関するより詳細な説明は、「ＡＲＢＩＴＲＡＲＹ ＱＵＡＮＴＵＭ ＯＰＥＲＡＴＩＯＮＳ ＷＩＴＨ Ａ ＣＯＭＭＯＮ ＣＯＵＰＬＥＤ ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ」と題する米国特許第７，４９８，８３２号、および「ＱＵＡＮＴＵＭ ＧＡＴＥ ＯＰＥＲＡＴＩＯＮＳ ＷＩＴＨ Ａ ＣＯＭＭＯＮ ＣＯＵＰＬＥＤ ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ」と題する米国特許出願第１２／７４８，９２３号に記載されており、これらの米国特許および米国特許出願の各々は、参照により本明細書に組み込まれる。

エネルギー準位図５０は、ケット表記では｜ｅ，０，０＞と表される第１の状態５２を示し、キュビットセル１２は励起状態であり、２つの共振器１６および１８は基底状態である。第１の状態５２は、図２のエネルギー準位図５０上に対角線として表される。エネルギー準位図５０は、３つの状態５４、５６および５８をさらに含み、キュビットセル１２は基底状態であり、各々が準位図内の水平線によって表されている。ケット表記では｜ｇ，０，０＞と表される第２のエネルギー状態５４では、キュビットセル１２の各々、第１の共振器１６および第２の共振器１８は、基底状態である。ケット表記では｜ｇ，１，０＞と表される第３のエネルギー状態５６では、キュビットセルの各々および第２の共振器は基底状態であるが、第１の共振器は励起状態である。ケット表記では｜ｇ，０，１＞と表される第４のエネルギー状態５８では、キュビットセルの各々および第１の共振器は基底状態であるが、第２の共振器は励起状態である。

準位図に示すように、キュビットセル１２と第１の共振器１６との間の結合の結果、第１の状態５２と第３の状態５６の交点も第１の交差回避６２が生じる。したがって、古典的制御機構１４が、断熱掃引を介して制御パラメータを調整する場合、すなわち、第１の共振器１６および第２の共振器１８の周波数に対して制御パラメータを緩やかに調整する場合、共振器／キュビットセル／共振器システムの状態は交差回避６２の輪郭を辿る。たとえば、システムが、制御パラメータが値Ｐ１である場合、｜ｇ，１，０＞状態で始動し、制御パラメータが、第１の交差回避６２を通って（たとえば、Ｐ１からＰ２に）断熱的に掃引された場合、システムは遷移部の後に｜ｅ，０，０＞状態になる。

同様に、キュビットセル１２と第２の共振器１８との間の結合の結果、第１の状態５２と第４の状態５８の交点に第２の交差回避６４が生じ、それにより、断熱掃引中に、システムの状態は、第２に交差回避の輪郭を辿る。たとえば、システムが、Ｐ２の制御パラメータで｜ｅ，０，０＞状態で始動し、制御パラメータが、第２の交差回避６４を通って（たとえば、Ｐ２からＰ３に）断熱的に掃引された場合、システムは遷移の後に｜ｇ，０，１＞状態になる。このようにして、値Ｐ１からＰ３への古典的制御機構の断熱掃引によって、第１の共振器１６内の量子情報を第２の共振器１８に転送することができることが了解されよう。転送の忠実度は、古典的制御パラメータが遷移されるレートの関数であり、したがって、遷移レートを低下させることによって忠実度を恣意的に高くすることができる。

図３に、本発明の一態様による量子伝送線路１００の一例を示す。量子共振器伝送線路１００は、各々がキュビットの少なくとも一部分を記憶するように構成された複数の共振器１０２〜１０６を含む。たとえば、所与の共振器は、複数のエネルギー状態を含むことができ、共振器は、複数のエネルギー状態のうちの１つまたは複数を備える量子状態の重畳を含むことができる。複数の共振器１０２〜１０６の各々は、特性周波数と特性周波数の関数である複数のエネルギー状態とを有することができることが了解されよう。

量子伝送線路１００は、対応する古典的制御機構（図示せず）に各々が結合された複数のキュビットセル１１２〜１１５をさらに備えることができ、それにより、各キュビットの周波数、したがって、対応するエネルギーは、所定の範囲にわたって同調可能となる。図示の実装形態では、複数のキュビットセル１１２〜１１５の各々は、複数の共振器１０２〜１０６のうちの２つに結合されており、それにより、各共振器は、キュビットセルによって隣接する共振器から分離されている。本発明の一態様によれば、伝送線路は、所与のキュビット（たとえば、１１２）に結合された共振器（たとえば、１０２および１０３）の各々が異なる特性周波数を有するように構成することができる。たとえば、共振器１０２、１０４および１０６の第１のセットは、第１の周波数（たとえば、１０ＧＨｚ）で動作することができ、共振器１０３および１０５の第２のセットは、第２の周波数（たとえば、１５ＧＨｚ）で動作することができ、共振器とキュビットセル１１２〜１１５とは、各キュビットセルが、第１のセットのうちの１つの共振器および第２のセットのうちの１つの共振器に結合されるように構成される。キュビットセル１１２〜１１５を同調することができる所定の範囲は、第１の周波数と第２の周波数とを包含するように選択することができる。

キュビットセル１１２〜１１５の各々をそれらの所定の周波数範囲に沿って同調させ、伝送線路内の量子情報のロケーションを監視するように構成されたシステム制御１２０によって、伝送線路を監視することができる。１つの実装形態では、システム制御１２０は、複数のキュビットセルに関連する複数の古典的制御機構にそれぞれ対応する制御信号を提供して、複数のキュビットセルの関連する周波数および対応するエネルギー状態を調整するように構成された従来の（たとえば、非量子）コンピュータシステムを備えることができる。さらに、システム制御１２０は、各制御信号が提供されると、伝送線路内の量子情報の記憶されたロケーションを追跡するように構成することができる。したがって、量子情報は、伝送線路に沿ってパスすることができ、量子論理ゲート演算において使用するために既知のロケーションから取り出すことができる。

図４に、システム制御１３２と量子プロセッサ１４０とを備える本発明の一態様による量子システム１３０を示す。量子プロセッサ１４０は、キュビットを備える量子情報の全部または一部分を記憶するように各々が構成された複数の共振器１４２〜１５６を含む。上述したように、共振器の実装形態は特定の技術には制限されず、たとえば、複数の共振器１４２〜１５６は、伝送線路共振器、集中定数素子共振器、分布共振器、またはそれらの組合せとして構成することができることが了解されよう。複数の共振器１４２〜１５６の各々は、関連する特性周波数を有することができる。図示の実装形態では、複数の共振器１４２〜１５６の第１のセット１４２〜１４９は、第１の関連する周波数（たとえば、１０ＧＨｚ）を有することができ、複数の共振器の第２のセット１５０〜１５６は、第２の関連する周波数（たとえば、１５ＧＨｚ）を有することができる。

量子プロセッサ１４０は、記憶されたキュビットに対して論理演算を実行するように構成された複数のキュビットセル１６２〜１９９をさらに備える。図示の実装形態では、キュビットセルの各々は、ジョセフソン接合、量子ドット、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）、クーパー対箱、またはイオントラップのうちの１つまたは複数のような、共振周波数が同調可能である任意の量子システムとして実装されることができる。各キュビットセル１６２〜１９９は、１つまたは複数の共振器に結合することができ、それにより、共振器１４２〜１５６と、集合的に解釈されるキュビットセルとを使用して、１つのキュビットに対して論理演算を実行することができる。

本発明の一態様によれば、複数のキュビットセル１６２〜１９９と複数の共振器１４２〜１５６を連続アレイで配列することができ、それにより、アレイ中の任意の共振器から、アレイ中の任意の他の共振器に量子情報を容易に転送することができる。このために、所与の特性周波数を有する１つ以下の共振器に各キュビットセルが結合されるように、複数のキュビットセル１６２〜１９９および複数の共振器１４２〜１５６を配列することができる。図示の実装形態では、複数の共振器１４２〜１５６のために２つの特性周波数しか使用しないので、これは、各キュビットセル１６２〜１９９が複数の共振器のうちの２つ以下の共振器に結合されていることを意味する。ただし、伝送線路よりも複雑な構造を可能にするために、共振器のすべてまたは大部分（たとえば、アレイの境界上にはない共振器のすべて）を、３つ以上のキュビットに接続することができる。

プロセッサ１４０の図示の実装形態は、量子プロセッサの簡略化されたバージョンであり、本発明の一態様による量子プロセッサは、いずれかの次元または両方の次元においてより大きくすることができることが了解されよう。ただし、図示の実装形態内のキュビットセル１６２〜１９９と共振器１４２〜１５６との配列は、プロセッサ内の量子論理ゲートの性能に好適であり、本発明の一態様による量子プロセッサは、同様の配列を使用することができることが了解されよう。詳細には、各共振器１４２〜１５６は、キュビットセル１６２〜１９９のうちの４つに結合することができ、各キュビットセルは、アレイの境界上のキュビットセル１６２〜１６５、１６８、１７２、１７５、１７９、１８２、１８６、１８９、１９３、および１９７〜１９９以外のキュビットセルである。

前述のように、プロセッサのよる量子情報の容易な移動を可能にするために、２つの共振器が所与のキュビットセルに接している場合、２つの共振器の各々は異なる特性周波数を有することができる。したがって、図１において前に説明したように、２つの共振器間での量子情報の転送を可能にするようにキュビットセルを操作することができる。図示の例では、同じ周波数の２つの共振器に結合されたキュビットセルがないことを保証するために、アレイ上に、共振器１４２〜１４９の第１のセットと共振器１５０〜１５６の第２のセットとをチェッカーボードパターンで配列することができる。このようにすることにより、複数のキュビットセル１６２〜１９９の操作によって、アレイ上で情報を自由にパスできるようになる。

本発明の別の態様によれば、複数のキュビットセル１６２〜１９９は、各々が異なる構造を有し、異なる機能のために最適化された複数のタイプのキュビットセルを含むことができる。たとえば、複数のキュビットセル１６２〜１９９は、キュビットセル１６２〜１６４の第１のセットと、キュビットセル１９７〜１９９の第２のセットと、キュビットセル１６５〜１９６の第３のセットとを含むことができ、各セットは、特定のプロセッサ機能を実行するように設計された専用の特殊構造を有している。たとえば、キュビットセル１６２〜１６４の第１のセットは、アダマールゲート演算またはＸゲート演算のような量子回転を結合された共振器（たとえば、１４２〜１４４）に対して実行するために最適化することができる。そのようなキュビットセル１６２〜１６４は、たとえば、処理のためにエネルギーの光子をプロセッサ１４０にロードするように、空の共振器に対してＸゲート演算を実行するために使用され得る。このために、キュビットセルの第１のセット１６２〜１６４の各々は、関連する古典的制御パラメータと別様に相互作用する関連する「スピンアップ」状態と「スピンダウン」状態とをもつスピン１／２粒子状態としてモデル化することができるエネルギー状態のセットを有するように構成される。１つの実装形態では、キュビットセル１６２〜１６４の第１のセットを、超伝導磁束キュビットとして構築することができる。

キュビットセルの第２のセット１９７〜１９９は、量子プロセッサ１４０に記憶された１つまたは複数のキュビットの状態を判断するために容易に読み取られるように構成することができる。たとえば、キュビットセルの第２のセット１９７〜１９９は、キュビットセルからの忠実度の高い読取り演算を可能にするための適切なサポート機器を含むことができる。キュビットセルの第３のセット１６５〜１９６は、マルチキュビット論理ゲート演算で使用するように最適化することができる。このために、キュビットセルの第３のセット１６５〜１９６の各々は、たとえば、単一ジョセフソン接合として実装することができる。１つの実装形態では、第３のセット１６５〜１９６は、それぞれ、超伝導位相キュビットとして実装することができる。

本発明の一態様によれば、システム制御１３２は、複数のキュビットセル１６２〜１９９のそれぞれの周波数範囲に沿って複数のキュビットセル１６２〜１９９に関連するそれぞれの古典的制御機構（図示せず）を同調させ、プロセッサ内の量子情報のロケーションを監視するように構成される。システム制御１３２は、複数のキュビットセル１６２〜１９９の関連する周波数と対応するエネルギー状態とを調整するために、複数のキュビットセル１６２〜１９９に関連する複数の古典的制御機構（図示せず）にそれぞれ対応する制御信号を提供するように構成される。さらに、システム制御１３２は、プロセッサ１４０内の量子情報の記憶されたロケーションを追跡し、それにより、論理ゲートのために必要とされるときには情報を迅速に取り出すことができるようになる。たとえば、特定の論理演算を実行することができるようにするために、共振器の１つのセットに記憶された情報を、１つまたは複数の特殊なキュビットセルの近くの共振器まで移動させることができる。１つの実装形態では、共振器のコヒーレンス時間は、一般に、キュビットセルのコヒーレンス時間を上回るのでプロセッサ１４０中の任意の情報は、１つまたは複数の共振器中に記憶されて、残りのキュビットセルおよび共振器は、記憶されたデータの転送との任意の干渉を回避するためにそれらの基底状態に残される。。

上記の構造および上記の機能的特徴に鑑みると、本発明の様々な態様による方法論は、図５を参照するとよりよく了解されよう。説明を簡単にするために、図５の方法論は、連続して実行するように図示され、記載されているが、本発明によれば、いくつかの態様は、本明細書に図示され、異なる順序で、および／または本願に図示および記載した態様とは他の態様と同時に行い得るので、本発明は例示した順序に限定されるものではないことが理解され、了解されよう。さらに、本発明の一態様による方法論を実装するために、すべての例示された特徴が必要とされる訳ではない。

図５に、本発明の一態様による量子ゲート演算を実行するための１つの方法２００を示す。２０２において、第１の共振器において量子情報のアイテムを提供するために、量子回転のために最適化されたキュビットセルを操作する。たとえば、共振器を第１の励起状態にするために、関連する共振器に対してＸゲート演算を実行することができる。図４を参照すると、第１の共振器１４２を第１の励起状態にするために、第１のキュビットセル１６２が操作することができる。２０４において、第１の共振器から第２の共振器に量子情報を転送することができる。図４を参照すると、第２の共振器１５３に量子情報を移動するために、図１および図２において前に説明したように、第２のキュビットセル１６６、第３のキュビットセル１７０および第４のキュビットセル１７７の各々を順次操作することができる。

２０６において、第２の共振器に関連するキュビットセルに量子情報を転送する。たとえば、図４を参照すると、第５のキュビットセル１８０に量子情報を転送することができる。たとえば、キュビットセルに関連する古典的制御パラメータを、キュビットセルが励起状態になることが予想されるポイントまで調整し、古典的制御パラメータをデフォルト値にジャンプさせることによって、所与の共振器のコンテンツを共振器に転送することができることが了解されよう。図示の実装形態では、古典的制御パラメータをＰ２とラベルされた値に、断熱的に遷移させ、次いで、古典的制御パラメータをＰ１とマークされた値にジャンプさせることによって、転送を行うことができる。

２０８において、量子情報の処理済みアイテムを提供するために、第２の共振器に結合された少なくとも１つの他のキュビットによって制御される第２の共振器に関連するキュビットセルに記憶された情報に対して量子論理ゲート演算を実行する。たとえば、図４を参照すると、第５のキュビットセル１８０に対する制御ＮＯＴゲートを、第６のキュビットセル１８４をそのゲートのための制御として使用して実行することができる。量子制御ＮＯＴゲートを実施するための方法は、上記で参照した「ＱＵＡＮＴＵＭ ＧＡＴＥ ＯＰＥＲＡＴＩＯＮＳ ＷＩＴＨ Ａ ＣＯＭＭＯＮ ＣＯＵＰＬＥＤ ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ」と題する米国特許出願第１２／７４８，９２３号にいくらか詳しく記載されている。第５のキュビットセル１８０および第６のキュビットセル１８４の各々は、マルチキュビット論理演算を実行するための最適構成を有するように構築することができることが了解されよう。たとえば、キュビットセル１８０および１８４の状態を読み取るための任意のサポート回路は省略することができる。

２１０において、第２の共振器に関連するキュビットセルから、読取り演算のために最適化された宛先キュビットセルに、量子情報の処理済みアイテムを転送する。たとえば、図４を参照すると、読取り演算のために第７のキュビットセル１９７を最適化することができ、第５のキュビットセル１８０から第７のキュビットセル１９７に、量子情報の処理済みアイテムを転送することができる。１つの実装形態では、第５のキュビットセル１８０中の情報は、第３の共振器１４５に転送され、第８のキュビット１８３および第９のキュビット１９０のエネルギーを適切な順序で調整することによって、第３の共振器から第４の共振器１４８に転送することができる。次いで、第４の共振器１４８から、前述したように直接的に結合された第７のキュビットセル１９７に、その情報をパスすることができる。次いで、２１２において、宛先キュビットセル中の情報を読み取ることができる。

本発明の例について上述してきた。もちろん、本発明について説明するために、構成要素または方法論のあらゆる考えられる組合せを記載することは可能ではないが、当業者ならば、本発明の多くのさらなる組合せおよび置換が可能であることを認識するであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲内となる、すべてのそのような変更形態、修正形態および変形形態を包含するものである。

Claims (20)

1. 第１の特性周波数を有する第１の共振器と、
   前記第１の特性周波数よりも大きい第２の特性周波数を有する第２の共振器と、
   前記第１の共振器および前記第２の共振器の各々に結合され、前記第１の特性周波数および前記第２の特性周波数を含む周波数範囲にわたって同調可能な周波数を有するキュビットセルと、
   前記第１の共振器と前記第２の共振器との間で量子情報を転送するように、前記キュビットセルの前記周波数を同調させるように構成された古典的制御機構と
   を備える、量子プロセッサシステム。
2. 前記キュビットセルが、複数のキュビットセルのうちの第１のキュビットセルであり、前記古典的制御機構が第１の古典的制御機構であり、前記量子プロセッサシステムが
   前記第１の特性周波数を有する第３の共振器と、
   前記第２の共振器および前記第３の共振器の各々に結合され、前記第１の特性周波数および前記第２の特性周波数を含む周波数範囲にわって同調可能な周波数を有する、前記複数のキュビットセルのうちの第２のキュビットセルと、
   前記第２の共振器と前記第３の共振器との間で量子情報を転送するように、前記キュビットセルの前記周波数を同調させるように構成された第２の古典的制御機構と
   を備える、請求項１に記載の量子プロセッサシステム。
3. 前記第１の共振器、前記第２の共振器、および前記第３の共振器内で量子情報のロケーションを追跡するように構成されたシステム制御をさらに備える、請求項２に記載の量子プロセッサシステム。
4. 前記第１のキュビットセルが磁束キュビットであり、前記第２のキュビットセルが、単一ジョセフソン接合から形成される、請求項２に記載の量子プロセッサシステム。
5. 各々が前記第３の共振器に結合され、対応する古典的制御機構を有する、前記複数のキュビットセルのうちの第３のキュビットセルと、第４のキュビットセルと、第５のキュビットセルとをさらに備え、前記第１のキュビットセルが、前記第１の共振器および前記第２の共振器のうちの１つ中で量子情報の量子回転を実行するために最適化されるように構成され、前記第２のキュビットセル、前記第３のキュビットセル、前記第４のキュビットセル、および前記第５のキュビットセルが、それぞれ、前記第３の共振器と連携してマルチ入力量子ゲートを実行するように構成され、それにより、前記第１のキュビットセルの関連する構造が、前記第２のキュビットセル、前記第３のキュビットセル、前記第４のキュビットセル、および前記第５のキュビットセルの構造とは実質的に異なる、請求項２に記載の量子プロセッサシステム。
6. 前記第１の共振器、前記第２の共振器および前記第３の共振器が、複数の共振器のうちの第１の共振器、第２の共振器、および第３の共振器を備え、前記複数のキュビットセルと前記複数の共振器とが連続アレイで構成され、それにより、前記アレイ中の任意の共振器から前記アレイ中の任意の他の共振器に、量子情報を容易に転送することができる、請求項２に記載の量子プロセッサシステム。
7. 所与の特性周波数を有する２つ以上の共振器に結合されたキュビットセルがないように、前記複数のキュビットセルの各々と前記複数の共振器とが配列される、請求項６に記載の量子プロセッサシステム。
8. 量子情報を記憶するように構成された複数の共振器と、
   第１の論理演算のために構成された複数のキュビットセルの第１のセットであって、キュビットセルの前記第１のセットのうちの各々が、前記複数の共振器のうちの少なくとも１つに結合された、キュビットセルの第１のセットと、
   第２の論理演算のために構成された前記複数のキュビットセルの第２のセットであって、キュビットセルの前記第２のセットのうちの各々が、前記複数の共振器のうちの少なくとも１つに結合された、前記キュビットセルの第２のセットと、
   第３の論理演算のために構成された前記複数のキュビットセルの第３のセットであって、キュビットセルの前記第３のセットのうちの各々が、前記複数の共振器のうちの少なくとも１つに結合された、前記キュビットセルの第３のセットと
   を備える、量子プロセッサシステム。
9. 前記第１の論理演算が、所与のキュビットセルの状態を判断する読取り演算であり、前記複数のキュビットセルの前記第１のセットのうちの各々が、忠実度の高い読取り演算を可能にするための適切なサポート機器を備える、請求項８に記載の量子プロセッサシステム。
10. 前記第１の論理演算が、関連する共振器の状態の量子回転であり、それにより、前記複数のキュビットセルの前記第１のセットのうちの各々が、関連する古典的制御パラメータと別様に相互作用する第１の状態と第２の状態とをもつスピン１／２粒子の状態としてモデル化することができるエネルギー状態のセットを有するように構成される、請求項８に記載の量子プロセッサシステム。
11. 前記複数のキュビットセルの第１のセットのうちの各々が、超伝導磁束キュビットを備える、請求項１０に記載の量子プロセッサシステム。
12. 前記第１の論理演算がマルチキュビット論理ゲート演算であり、それにより、前記複数のキュビットセルの前記第１のセットのうちの各々が単一ジョセフソン接合を備える、請求項８に記載の量子プロセッサシステム。
13. 前記複数の共振器および前記複数のキュビットセル内で量子情報のロケーションを追跡するように構成されたシステム制御をさらに備える、請求項８に記載の量子プロセッサシステム。
14. 前記複数のキュビットセルと前記複数の共振器とが連続アレイで配列され、それにより、前記アレイ中の任意の共振器から前記アレイ中の任意の他の共振器に、量子情報を容易に転送することができる、請求項８に記載の量子プロセッサ。
15. 前記複数の共振器は、各々が第１の特性周波数を有する共振器の第１のセットと、各々が第２の特性周波数を有する共振器の第２のセットとを備える、請求項１４に記載の量子プロセッサシステム。
16. 所与の特性周波数を有する２つ以上の共振器に結合されたキュビットセルがないように、前記複数のキュビットセルの各々および前記複数の共振器が配列される、請求項１５に記載の量子プロセッサシステム。
17. 量子プロセッサにおいて論理ゲート演算を実行するための方法であって、
    第１の共振器から、第２の共振器に結合された第１のキュビットに量子情報のアイテムを転送することであって、前記第１のキュビットが、マルチキュビット論理ゲート演算において使用するために最適な第１の構造を有する、量子情報のアイテムを転送することと、
    量子情報の処理済みアイテムを生成するように、前記第２の共振器に結合された少なくとも第２のキュビットの論理状態によって制御された前記第１のキュビットに対して、量子論理ゲート演算を実行することと、
    前記第２の共振器から、第３の共振器に結合された第３のキュビットに量子情報の前記処理済みアイテムを転送することであって、前記第３のキュビットが、前記第３のキュビットに記憶された量子情報に対する忠実度の高い読取り演算を可能にするように構成された第２の構造を有する、前記処理済みアイテムを転送することと、
    前記第３のキュビットから、論理出力として量子情報の前記処理済みアイテムを読み取ることと
    を含む、方法。
18. 量子情報の前記アイテムを発生させるために、前記第１の共振器に結合された第４のキュビットのエネルギーを調整することをさらに含み、前記第４のキュビットが、前記第１の共振器内でデータの量子回転を実行するように構成された第３の構造を有する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第４のキュビットの前記エネルギーを調整することが、前記第１の共振器に対して量子Ｘゲート演算を実行するように、前記第４のキュビットに関連する古典的制御パラメータを調整することを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 第１の共振器から、第２の共振器に結合された第１のキュビットに量子情報のアイテムを転送することが、
    量子情報の前記アイテムを第４の共振器に転送することと、
    前記第４の共振器から前記第２の共振器に量子情報の前記アイテムを転送するように、前記第２の共振器および前記第４の共振器の各々に結合された第４のキュビットのエネルギーを調整することと、
    前記第２の共振器から前記第１のキュビットに量子情報のアイテムを転送するように、前記第１のキュビットのエネルギーを調整することと
    を含む、請求項１７に記載の方法。

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