JP2018524795A - 共面導波管の磁束量子ビット - Google Patents
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Abstract
Description
一般に、いくつかの態様では、本開示の主題に包含される磁束量子ビットは、超伝導量子干渉デバイスに結合された少なくとも1つの細長い共面導波管共振器を含む。細長い共面導波管は、量子ビットのエネルギーレベルを決定する平行のLC共振回路として役立つ。共面導波管の磁束量子ビットは、その構造が比較的単純であること、およびデコヒーレンスのソースとして機能する材料を排除することのために、デコヒーレンス時間の実質的な改善を示し得る。その上、この導波管は、比較的長い全長を有する一方で、他の量子ビットに対して強く結合する能力を保つように製作され得るので、共面導波管の磁束量子ビットは、接続された量子ネットワークにおける多くの他の量子ビットに結合するように使用され得る。
図2Aは、共面導波管の磁束量子ビット200の一例の上面図を示す概略図である。量子ビット200は、量子デバイス204に結合された共面導波管202を含む。量子デバイス204は、限定はしないが、超伝導量子干渉デバイス(SQUID)を含み得る。この例では量子デバイス204はDC超伝導量子干渉デバイス(DC-SQUID)であるが、他のSQUIDデバイスも使用され得る。共面導波管202およびDC-SQUID 204は、これらを取り囲む接地面206と電気接触している。導波管202、DC-SQUID 204および接地面206の各々が、誘電体基板上の標準的な薄膜製造プロセスを使用して、超伝導薄膜材料から形成されている。導波管202は、基板上に細長い薄膜として構成されており、薄膜の一端208は接地面206と電気接触しており、薄膜の別の反対端210はDC-SQUID 204と電気接触している。導波管202の細長い面は、対応する間隙205によって接地面206から分離されている。この例では、それぞれの間隙205の幅は、たとえば電磁波の不必要な反射を防止するために、細長い導波管の長さに沿って一定である。導波管の所望のモードプロファイルは、対称な共面導波管(CPW)モードであり、中央のトレースの両側の2つの接地面は同一の電圧に保たれている。いくつかの実装形態では、導波管202は、(細長い面に沿って測定したとき)約数千マイクロメートルまでの長さと、(長さに対して横断して測定したとき)約数十マイクロメートルまでの幅とを有し得る。導波管202(ならびに接地面206およびDC-SQUIDの一部分)を形成する、堆積されたフィルムの厚さは、たとえば約100〜200nmでよい。
共面導波管の磁束量子ビットの動作中に、量子ビットは、量子ビットの2重井戸のポテンシャルを初期化し、基本状態の重ね合わせを確立し、特に(among other actions)状態間のトンネリングの確率を変化させるためにポテンシャル井戸の間の障壁を変化させる目的で、異なる磁束バイアスに暴露されてよい。そのような磁束バイアスは、量子ビットデバイスに隣接して配置された磁束バイアス駆動デバイスを使用して生成され得る。図3は、磁束量子ビットデバイス用の制御システム300の回路図を示す概略図である。制御システム300に含まれる量子ビットバイアス制御デバイス302は、量子ビット304の動作中に、量子ビット304の共面導波管に対して誘導的に結合される。量子ビットバイアス制御デバイス302は、動作中に、量子ビットの2重井戸ポテンシャルを傾斜させる/乱す働きをする。制御システム300にはSQUIDのバイアス制御デバイス306も含まれ、量子ビット304の動作中に、DC-SQUIDに対して誘導的に結合される。SQUIDのバイアス制御デバイス306は、DC-SQUIDの臨界電流を調整するように働き、結果として、動作中に量子ビットの井戸間の障壁ポテンシャルの大きさを調節する。量子ビット304の動作中には量子ビットバイアス制御デバイス302とSQUIDのバイアス制御デバイス306の両方が使用されるので、いくつかの実装形態では、意図されたものでない磁束の導入を防ぐため、およびデコヒーレンスを低減するために、量子プロセッサにおいて、これら制御デバイスの間および他の量子ビットの間のクロストークを低減するのが望ましい。
図2を参照しながら上記で説明されたように、共面導波管の磁束量子ビットは、量子プロセッサの内部の他の量子ビットに結合するための単一の細長い導波管を含む。しかしながら、磁束量子ビットの設計は単一の導波管に限定されない。代わりに、磁束量子ビットは、DC-SQUIDに結合される複数の共面導波管を含み得る。多重導波管の磁束量子ビットの設計は、単一導波管の設計と比較して、たとえば、(1)完全接続の設定において、より多数の量子ビットに結合する能力(たとえば、1つではなく2つの導波管を使用すると、完全接続量子プロセッサにおいて結合され得る量子ビットの数を2倍にすることができる)、(2)読出し/測定のラインとバイアスラインが各量子ビットの異なる共面導波管に結合され得、したがってクロストークを低減すること、(3)量子ビット間の相互インダクタンス結合の非対称性を補償して、より多くの量子ビットの相互結合を可能にする能力、を含むいくつかの利点を有する。実際、導波管共振器の対称の機構を有する共面導波管の磁束量子ビットについては、共面導波管の間の相互結合は、特定の実装形態では量子ビット間のさらに強いσxσx結合をもたらし得る。
いくつかの実装形態では、複数の共面導波管の磁束量子ビットが基板表面上に配置されて、相互接続された量子プロセッサネットワークを形成する。そのような量子プロセッサネットワークは、たとえば量子アニーリングおよび/または断熱量子計算を含む量子計算アプリケーションにおいて使用され得る。たとえば、いくつかの実装形態では、量子プロセッサネットワークは、問題のハミルトニアンを用いて初期化され、その基底状態が興味のある問題の解決策を説明する所望のハミルトニアンへと断熱的に進化されてよい。
102 超伝導材料のループ
104 ジョセフソン接合
106 ジョセフソン接合
108 ジョセフソン接合
110 ソース
112 井戸
114 井戸
200 共面導波管の磁束量子ビット
202 共面導波管
204 量子デバイス
205 間隙
206 接地面
208 薄膜の一端
210 薄膜の反対端
212 超伝導材料のループ
214 ジョセフソン接合
215 接触パッド
216 回路図
218 キャパシタンス
220 インダクタンス
222 接地
300 制御システム
302 量子ビットバイアス制御デバイス
304 量子ビット
306 SQUIDのバイアス制御デバイス
400 量子ビットバイアス制御デバイス
401 電流源
402 導波管
403 外側の薄膜トレース408が導波管402と電気接触している個所
404 電流駆動ライン
405 電流源
406 分流器
407 バイアス分流器
408 外側の薄膜トレース
410 接地面
412 非導電間隙
414 エアブリッジ
600 高さ
602 幅
800 SQUIDのバイアス制御デバイス
802 DC-SQUID
803 共面導波管
804 内側の薄膜ループ
805 接地面
806 外側の薄膜ループ
808 外側の間隙領域
810 内側の間隙領域
812 駆動ライン
814 電流源
816 内側の薄膜ループと外側のループの間の距離
818 内側の薄膜ループ804が駆動ライン812から水平方向に延在する距離
820 内側の薄膜ループ804の上部と下部の間の距離
1000 多重共面導波管の磁束量子ビット
1002a 共面導波管
1002b 共面導波管
1004 DC-SQUID
1006 共通点
1008 接地面
1010 曲がった領域
1100 多重分岐磁束量子ビット
1102a 第1の共面導波管
1102b 第2の共面導波管
1104 DC-SQUID
1110 量子ビットバイアス制御デバイス
1114 読出しデバイス
1200 ネットワーク
1202 磁束量子ビット
1204 共面導波管
1206 交差するポイント
1300 ネットワーク
1302 磁束量子ビット
1304 共面導波管
1306 ポイント
1308 ポイント
1400 ネットワーク
1402 量子ビット
1404 導波管の第1の分岐
1406 ポイント
1408 導波管の第2の分岐
1410 ネットワーク
1412 結合ポイント
1420 ネットワーク
1500 量子プロセッサ
1501 制御領域
1502 量子ビットバイアス制御デバイス
1503 読出しデバイス領域
1504 DC-SQUID
1505 結合領域
1506 導波管
1507 SQUIDのバイアス制御デバイス
1508 読出しデバイス
1510 読出しライン
1512 超伝導薄膜結合器
1514 第1の方向
1516 第2の直交方向
1518 間隙
1520 接地面
1521 間隙
1522 間隙
Claims (23)
- ジョセフソン接合による中断のない細長い薄膜と、
前記細長い薄膜の近位端と電気接触している超伝導量子干渉デバイス(SQUID)であって、3つより少ないジョセフソン接合を有する、超伝導量子干渉デバイス(SQUID)と、
前記細長い薄膜と同一平面内にあり、前記細長い薄膜の遠位端と電気接触している接地面と
を備え、
前記薄膜、前記SQUID、および前記接地面が、設計された動作温度において超伝導状態になる材料を含む、
量子ビットデバイス。 - 前記細長い薄膜が、第1の面および反対側の第2の面を備え、前記第1の面および前記第2の面の各々が、それぞれの間隙によって超伝導の前記接地面から分離されている、請求項1に記載の量子ビットデバイス。
- それぞれの間隙の幅が、前記細長い薄膜の長さに沿って一定である、請求項2に記載の量子ビットデバイス。
- 前記細長い薄膜、超伝導ループ、および前記接地面の各々が、アルミニウムまたはニオブを含む、請求項1に記載の量子ビットデバイス。
- 前記SQUIDが、少なくとも1つのジョセフソン接合によって中断される超伝導ループを備える、請求項1に記載の量子ビットデバイス。
- 前記SQUIDが、前記超伝導ループを中断する2つのジョセフソン接合を備える、請求項5に記載の量子ビットデバイス。
- 基板をさらに備え、前記細長い薄膜、前記接地面および前記SQUIDが、前記基板の表面上にある、請求項1に記載の量子ビットデバイス。
- 前記基板がサファイアである、請求項7に記載の量子ビットデバイス。
- 前記細長い薄膜が、第1の方向に沿って延在する第1の部分と、第2の別の方向に沿って延在する第2の部分とを備える、請求項1に記載の量子ビットデバイス。
- 第1の方向に沿って延在する第1の部分と、第2の方向に沿って延在する第2の部分とを備え、ジョセフソン接合による中断のない細長い薄膜と、
前記第1の部分と前記第2の部分との間の位置において前記細長い薄膜と電気接触している量子デバイスであって、3つより少ないジョセフソン接合を有する、量子デバイスと、
前記細長い薄膜と同一平面内にあり、前記細長い薄膜と電気接触している接地面と
を備え、
前記薄膜、前記量子デバイス、および前記接地面が、設計された動作温度において超伝導状態になる材料を含む、
量子ビットデバイス。 - 前記量子デバイスが、超伝導量子干渉デバイスである、請求項10に記載の量子ビットデバイス。
- (a)ジョセフソン接合による中断のない細長い薄膜、(b)3つより少ないジョセフソン接合を有する、前記細長い薄膜の近位端と電気接触している超伝導量子干渉デバイス(SQUID)、および(c)前記細長い薄膜と同一平面内にあり、前記細長い薄膜の遠位端と電気接触している接地面を備える量子ビットデバイスであって、
前記薄膜、前記SQUID、および前記接地面が、設計された動作温度において超伝導状態になる材料を含む、量子ビットデバイスと、
動作中に、前記細長い薄膜に対して電気的に結合されるように、前記細長い薄膜に隣接している量子ビットバイアス制御デバイスと、
動作中に、前記SQUIDに対して誘導的に結合されるように、前記量子ビットデバイスの前記SQUIDに隣接しているSQUIDバイアス制御デバイスと
を備える、量子ビット制御システム。 - 前記量子ビットバイアス制御デバイスが、前記細長い超伝導薄膜の前記遠位端と電気接触している、請求項12に記載の量子ビット制御システム。
- 前記量子ビットバイアス制御デバイスが、分流器を備える、請求項12に記載の量子ビット制御システム。
- 前記分流器が、複数のインダクタを備える、請求項14に記載の量子ビット制御システム。
- 前記分流器が、
中央の薄膜トレースと、
前記中央の薄膜トレースを囲む開ループを形成し、前記細長い薄膜と電気接触している外側の薄膜トレースと
を備え、
前記中央の薄膜トレースの端部が、前記開ループに沿った複数の異なる位置において前記外側の薄膜トレースと電気接触している、
請求項14に記載の量子ビット制御システム。 - 前記SQUIDバイアス制御デバイスが、
内側の薄膜ループと、
前記内側の薄膜ループを少なくとも部分的に囲み、前記SQUIDと電気接触している外側の薄膜ループと
を備える、請求項12に記載の量子ビット制御システム。 - 前記量子ビットバイアス制御デバイスが、前記細長い薄膜に対して、約0.1pHから0.2pHの間の相互インダクタンスを有する、請求項12に記載の量子ビット制御システム。
- 前記量子デバイスバイアス制御デバイスが、前記量子デバイスに対して約0pHの相互インダクタンスを有する、請求項12に記載の量子ビット制御システム。
- 量子プロセッサであって、
複数の共面導波管の磁束量子ビットデバイスであり、各共面導波管の磁束量子ビットデバイスは、(a)ジョセフソン接合による中断のない細長い薄膜の導波管と、(b)3つより少ないジョセフソン接合を有する、前記細長い薄膜の導波管の第1の端部と電気接触している量子デバイスと、(c)前記細長い薄膜の導波管と同一平面内にあり、前記細長い薄膜と電気接触している接地面とを備え、前記量子プロセッサにおいて、各共面導波管の磁束量子ビットデバイスが、互いに対して動作可能に結合されている、複数の共面導波管の磁束量子ビットデバイス
を備える、量子プロセッサ。 - プロセッサにおいて、各共面導波管の磁束量子ビットの前記細長い薄膜の導波管が、他の共面導波管の磁束量子ビットに関連した複数の細長い薄膜の導波管と交差する、請求項20に記載の量子プロセッサ。
- 複数の誘導結合器であって、各誘導結合器が、異なる共面導波管の磁束量子ビットに関連した2つの細長い薄膜の導波管の間の交差に隣接して配置されている、複数の誘導結合器をさらに備える、請求項21に記載の量子プロセッサ。
- 前記量子デバイスが、超伝導量子干渉デバイスである、請求項20に記載の量子プロセッサ。
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