JP2018533253A

JP2018533253A - 量子ビット読み出しのためのシステムおよび方法

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Publication number: JP2018533253A
Application number: JP2018511199A
Authority: JP
Inventors: ネイアマン、オフェル
Original assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2018-11-08
Anticipated expiration: 2036-08-19
Also published as: KR102116277B1; CA2996620C; EP3344576A2; CA2996620A1; AU2016351374A1; US9438246B1; WO2017082983A2; KR20180043802A; JP6553287B2; AU2016351374B2; WO2017082983A3; EP3344576B1

Abstract

量子ビットの多重読み出しのためのシステムが提供される。システムは、リード線上のそれぞれ異なる点に各々結合された複数の帯域通過（ＢＰ）フィルタ共振部を備える。各ＢＰフィルタ共振部は、それぞれの量子ビット読み出し共振器を介してそれぞれの量子ビットに結合可能である。システムはさらに複数のチューナブルカプラを備える。各チューナブルカプラは、それぞれのＢＰフィルタ共振部と量子ビット読み出し共振器との間に結合される。システムはさらに、各チューナブルカプラのインピーダンスを制御することによって、リード線に対する各量子ビットの結合強度を制御する結合コントローラを備える。

Description

本発明は、概して超伝導回路に関し、詳しくは、量子ビット読み出しのためのシステムおよび方法に関する。

回路量子電磁力学（ｃＱＥＤ）に基づく量子コンピュータアーキテクチャでは、複数の量子ビット読み出し共振器を単一の５０オーム伝送線路に多重化することが一般的に行われている。これは、固定の相互インダクタンスまたは固定のキャパシタを介して、わずかに異なる共振周波数を有する量子ビット読み出し共振器の各々を数千オーダーの典型的な結合Ｑで伝送線路に結合することによって行うことができる。より高速な読み出し時間のためには通常はより強い結合が望ましいが、これは、回路のデコヒーレンス（すなわち、量子ビットのリセット）を高めることにも寄与する。量子ビットの読み出しの忠実度は、共振器を介した伝送線路への量子ビットエネルギーの低減によって部分的に制限される。また、量子ビットの論理動作および／または記憶動作中に、５０オームの伝送路から量子ビットを分離することが望ましい。

現在の技術は、単一の５０オーム伝送線路との間の量子ビット読み出し共振器の強結合及び／又は強分離の問題を抱えている。

一つの実施例において、量子ビットの読み出しのためのシステムが提供される。このシステムは、リード線上のそれぞれ異なる点に各々結合された複数の帯域通過（ＢＰ）フィルタ共振部を備える。各ＢＰフィルタ共振部は、それぞれの量子ビット読み出し共振器を介してそれぞれの量子ビットに結合可能である。システムはさらに、複数のチューナブルカプラを備える。各チューナブルカプラは、それぞれのＢＰフィルタ共振部と量子ビット読み出し共振器との間に結合されている。システムはさらに、前記各チューナブルカプラのインピーダンスを制御することによって、前記リード線に対する各量子ビットの結合強度を制御する結合コントローラを備える。

別の実施例において、量子ビットの多重読み出しのためのシステムが提供される。このシステムは、帯域通過（ＢＰ）フィルタを形成する複数のＢＰフィルタ共振部を備える。各ＢＰフィルタ共振部は、リード線上のそれぞれ異なる点と、それぞれの量子ビット読み出し共振器を介したそれぞれの量子ビットとの間に結合されている。システムはさらに、複数のチューナブルカプラを備える。各チューナブルカプラは、それぞれのＢＰフィルタ共振部にガルバニック結合されている。各チューナブルカプラは、少なくとも１つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）であり、前記ＳＱＵＩＤに誘起される磁束により、前記少なくとも１つのジョセフソン接合のインダクタンスと、前記リード線に対するそれぞれの量子ビットの結合強度とが変化するようになる。システムはさらに、各ＳＱＵＩＤに誘起される磁束の量を制御することによって、前記リード線に対する各量子ビットの結合強度を制御する結合コントローラを備える。

さらに別の実施例において、量子ビットの多重読み出しのための方法が提供される。この方法は、帯域通過（ＢＰ）フィルタを形成する複数のＢＰフィルタ共振部を含むシステムを提供することを備える。各ＢＰフィルタ共振部は、リード線上のそれぞれ異なる点と、複数の量子ビット読み出し共振器のうちのそれぞれの量子ビット読み出し共振器を介した複数の量子ビットのうちのそれぞれの量子ビットとの間に結合されている。方法はさらに、前記リード線に対して１つまたは複数の量子ビットを結合しつつ、前記リード線に対して前記複数の量子ビットのうちの他の量子ビットを分離すること、前記リード線の入力ポートに入力信号を供給すること、前記リード線の出力ポートから出力信号を読み出すことを備える。方法はさらに、前記入力信号と前記出力信号との間の変化に基づいて前記１つまたは複数の量子ビットの状態を決定することを備える。

複数の量子ビットの多重読み出しのためのシステムを示す概略的なブロック図。複数の量子ビットの多重読み出しのためのシステムの別の例を示す概略的なブロック図。第１量子ビットの読み出しに関して図２のシステムの一部を示す概略図。アジレントＡＤＳソフトウェアを用いた図２の動作のシミュレーションで全てのカプラが「オフ」状態にあるときのフィルタ応答を示す周波数対Ｓパラメータを示すグラフ。アジレントＡＤＳソフトウェアを用いた図２の動作のシミュレーションで全てのカプラが「オン」状態にあるときのフィルタ応答を示す周波数対Ｓパラメータを示すグラフ。４つの異なるカプラが特定の接合設定を有する場合について、アジレントＡＤＳソフトウェアを用いた図２の動作のシミュレーションにおける量子ビットを読み出すために行われる測定と同様、フィルタを介したＳ_２１のフィルタ応答波形を示すグラフ。非常に弱く結合されたポートで観察される量子ビット読み出し共振器の応答を示したグラフであって、４つの異なるカプラが特定の接合設定を有する場合について、アジレントＡＤＳソフトウェアを用いた図２の動作のシミュレーションにおける読み出し共振器の負荷Ｑ値の尺度を示すグラフである。複数の量子ビットの多重読み出しのためのシステムのさらに別の実施例を示す図。アジレントＡＤＳソフトウェアを用いた図６の動作のシミュレーションでのフィルタ応答の例示的な周波数対Ｓパラメータを示すグラフ。アジレントＡＤＳソフトウェアを用いた図６の動作のシミュレーションでのフィルタ応答の別の例示的な周波数対Ｓパラメータを示すグラフ。複数の量子ビットの多重読み出しのための方法の例を示す図。

本開示は、概して超伝導回路に関し、より詳しくは、量子ビットの多重読み出しのためのシステムおよび方法に関する。一例において、各量子ビットは、それぞれの量子ビット読み出し共振器に結合される。各量子ビット読み出し共振器は、それぞれ他の量子ビット読み出し共振器に対して異なる周波数で共振する。所与の量子ビット読み出し共振器は、それに関連する量子ビットの状態に基づいてそれぞれの周波数のわずかな変動で共振するため、所与の量子ビット読み出し共振器の読み出しにより、関連する量子ビットの状態を推定することができる。各共振器およびそれに関連する量子ビットは、それぞれのチューナブルカプラを介して、それぞれの帯域通過（ＢＰ）フィルタ共振部に結合可能である。各ＢＰフィルタ共振部はリード線を介して互いに結合され、帯域通過フィルタを形成する。帯域通過フィルタの通過帯域は、量子ビット読み出し共振器の周波数の範囲を包含するように設計されている。各ＢＰフィルタ共振部は、複数の直列結合カップリングキャパシタからなるリード線上の異なる点に結合される。ＢＰフィルタ共振部と直列カップリングキャパシタは、フィルタの所望の通過帯域特性、特に、リード線での５０オームインピーダンスマッチングを提供するように選択される。

リード線は、その入力端子において、読み出し入力信号を受信する。読み出し入力信号は、複数の読み出し共振器にアドレスする周波数を有する単一のトーンまたは複数のトーンを含むことができる。読み出し入力信号は、関連付けられたチューナブルカプラおよび関連付けられたＢＰフィルタ共振部を介して、１つまたは複数の量子ビットの読み出しを行うことによって変更することができる。読み出し出力信号は、その変更された読み出し入力信号として、リード線の読み出し出力端子に供給される。各チューナブルカプラは、リード線に対する関連する量子ビット読み出し共振器の強結合、リード線に対する関連する量子ビット読み出し共振器の中間結合、またはリード線から量子ビットを分離するための関連する量子ビット読み出し共振器の強分離に調整することができる。量子ビット読み出し共振器をリード線に強結合することにより、量子ビットから状態情報を除去する特定の量子ビットの高速リセットが可能になる。これは、入力信号がない場合にも生じる。また、リード線に対する量子ビットの中間結合を選択することで量子ビット状態の読み出しが可能となる。また、リード線からの量子ビットの強分離により、量子ビットをリード線に結合することなく、量子ビット上での動作の実行を可能にして状態情報を保持することが可能となる。

図１は、複数の量子ビットの多重読み出しのためのシステム１０の概略的なブロック図を示す。システム１０は、複数の帯域通過（ＢＰ）フィルタ共振部１４（図において、ＢＰフィルタ共振部＃１〜＃Ｎで示し、ここで、Ｎは１よりも大きい整数である）を含む。各ＢＰフィルタ共振部１４は、複数の直列結合カップリングキャパシタからなるリード線１２（図において、Ｃ_１〜Ｃ_Ｎ＋１で示す）上のそれぞれ異なる点に結合されている。第１のカップリングキャパシタＣ_１は整合入力ポートに結合され、最後のカップリングキャパシタＣ_Ｎ＋１は整合出力ポートに結合されている。複数の量子ビット２０（図において、量子ビット＃１〜＃Ｎで示す）は、Ｎ個の量子ビット読み出し共振器１８にそれぞれ結合されている。各量子ビット読み出し共振器１８は、それぞれ他の量子ビット読み出し共振器１８に対して異なる周波数で共振する。所与の量子ビット読み出し共振器１８が、関連する量子ビット２０の状態に基づいて、それぞれの周波数のわずかな変化で共振することにより、所与の量子ビット読み出し共振器１８の読み出しによって、関連する量子ビット２０の状態を推定することが可能となる。

各量子ビット読み出し共振器１８は、複数のチューナブルカプラ１６（図において、チューナブルカプラ＃１〜＃Ｎで示す）のうちのそれぞれのチューナブルカプラ１６を介して、それぞれのＢＰフィルタ共振部１４によりリード線１２に結合可能である。複数のＢＰフィルタ共振部１４とカップリングキャパシタＣ_１〜Ｃ_Ｎ＋１は、ＢＰフィルタの通過帯域にわたってリード線１２の５０オームインピーダンスマッチングを維持するように構成される。各チューナブルカプラ１６は、関連するＢＰフィルタ共振部１４を介して、関連する量子ビット２０をリード線１２に対して強結合するか、または関連する量子ビット２０をリード線１２に対して中間結合するか、もしくは関連する量子ビット２０をリード線１２から分離するべくその量子ビット２０を強分離するように調整され得る。上記したように、リード線１２に量子ビット２０を強結合することによって、その特定の量子ビット２０の高速リセットが可能となる。また、リード線１２から量子ビット２０を強分離することによって、量子ビット２０をリード線１２に結合することなくその量子ビット２０上での動作の実行を可能にして、状態情報の保持を可能とする。また、チューナブルカプラ１６を介したリード線１２に対する量子ビット２０の中間結合を選択することによって読み出しが可能となり、その結合強度を連続的に調整することで各量子ビット２０の読み出し忠実度を最適化することができる。

結合コントローラ２２は、図中、ＣＮＴＲＬ_１〜ＣＮＴＲＬ_Ｎで示される制御信号によって、それぞれのチューナブルカプラ１６を介して、リード線１２への各量子ビット２０の結合強度を制御する。この結合コントローラは、単一磁束量子（ＳＦＱ）論理（例えば、逆量子（ＲＱＬ）論理）および／または従来の論理を利用することができる。読み出し入力信号（ＲＥＡＤ_ＩＮ）は読み出し入力ポート２４に供給され得る。また、読み出し出力信号（ＲＥＡＤ_ＯＵＴ）は読み出し出力ポート２６に供給され得る。読み出し入力信号は、関連するチューナブルカプラ１６および関連するＢＰフィルタ共振部１４を介した１つまたは複数の量子ビット２０の読み出しによって変更される。そして、その変更された読み出し入力信号（ＲＥＡＤ_ＩＮ）が読み出し出力信号（ＲＥＡＤ_ＯＵＴ）としてリード線１２の読み出し出力ポート２６に供給される。この読み出し出力ポート２６は、読み出された１つまたは複数の量子ビット２０に関連付けられた状態情報を提供する。

図２は、複数の量子ビットの多重読み出しのためのシステム３０の別の例を示す。図２の例では、チューナブルカプラは、量子ビット読み出し共振器（ＴＬ_１〜ＴＬ_４）とリード線３２との間のガルバニック結合（galvanic coupling）を介してそれぞれのＢＰフィルタ共振部に結合されており、非常に強い最大結合を実現し、多重量子ビットのリセットおよび読み出しを容易にする。このシステム３０は、キャパシタと並列に接続された一対のシャントインダクタから各々形成された複数のＢＰフィルタ共振部を含む。各ＢＰフィルタ共振部は、複数の直列結合カップリングキャパシタ（図において、Ｃ_２６，Ｃ_２８，Ｃ_３１，Ｃ_３２，Ｃ_２７）からなるリード線３２上のそれぞれ異なる点に結合されている。第１のカップリングキャパシタＣ_２６が整合入力ポートに結合されるとともに、最後のカップリングキャパシタＣ_２７が整合出力ポートに結合されることにより、リード線３２全体にわたって５０オームインピーダンスマッチングが維持されることを保証する。

この例示的なシステム３０では、ＢＰフィルタを形成する４つのＢＰフィルタ共振部が存在する。第１のＢＰフィルタ共振部３４は、シャントインダクタＬ_７と、それに直列のシャントインダクタＬ_１５を含み、双方のシャントインダクタＬ_７，Ｌ_１５はキャパシタＣ_２２と並列である。第２のＢＰフィルタ共振部３５は、シャントインダクタＬ_１１と、それに直列のシャントインダクタＬ_１８を含み、双方のシャントインダクタＬ_１１，Ｌ_１８はキャパシタＣ_２９と並列である。第３のＢＰフィルタ共振部３６は、シャントインダクタＬ_１２と、それに直列のシャントインダクタＬ_１９を含み、双方のシャントインダクタＬ_１２，Ｌ_１９はキャパシタＣ_３０と並列である。第４のＢＰフィルタ共振部３７は、シャントインダクタＬ_１０と、それに直列のシャントインダクタＬ_２４を含み、双方のシャントインダクタＬ_１０，Ｌ_２４はキャパシタＣ_２５と並列である。これらのＢＰフィルタ共振部は、リード線での５０オームインピーダンスマッチングを維持するように構成されている。

複数の量子ビット（図において、量子ビット＃１〜＃４で示す）は、それぞれの量子ビット伝送路共振器（図において、ＴＬ１〜ＴＬ４）に結合されている。各量子ビット読み出し共振器は、それぞれ他の量子ビット読み出し共振器に対して異なる周波数で共振する。所定の量子ビット読み出し共振器が、関連する量子ビットの状態に基づいて、それぞれの周波数のわずかな変化で共振することにより、所与の量子ビット読み出し共振器の読み出しによって、関連する量子ビットの状態を推定することが可能となる。

各量子ビット読み出し共振器は、それぞれのチューナブルカプラを介して、それぞれのＢＰフィルタ共振部によりリード線３２に結合可能である。各チューナブルカプラは、ＲＦ−ＳＱＵＩＤから形成されている。例えば、第１のチューナブルカプラは、インダクタＬ_１４と、ジョセフソン接合Ｊ_１３と、第１のＢＰフィルタ共振部３４における１つのシャントインダクタＬ_１５とから形成されている。第２のチューナブルカプラは、インダクタＬ_１６と、ジョセフソン接合Ｊ_１７と、第２のＢＰフィルタ共振部３５における１つのシャントインダクタＬ_１８とから形成されており、第３のチューナブルカプラは、インダクタＬ_２０と、ジョセフソン接合Ｊ_２１と、第３のＢＰフィルタ共振部３６における１つのシャントインダクタＬ_１９とから形成されている。第４のチューナブルカプラは、インダクタＬ_２３と、ジョセフソン接合Ｊ_２２と、第４のＢＰフィルタ共振部３７における１つのシャントインダクタＬ_２４とから形成されている。各チューナブルカプラ（ＲＦ−ＳＱＵＩＤ）は、関連するＢＰフィルタ共振部を介して関連する量子ビットをリード線３２に対して強結合または中間結合するように調整され得るか、もしくは関連する量子ビットをリード線３２から分離するようにその量子ビットを強分離するように調整され得る。

結合コントローラ（図示略）は、制御信号によって、それぞれのチューナブルカプラを介して、リード線３２への各量子ビットの結合強度を制御する。読み出し入力信号（ＲＥＡＤ_ＩＮ）は、リード線３２の読み出し入力ポート３８に供給され得る。この読み出し入力信号（ＲＥＡＤ_ＩＮ）は、関連するチューナブルカプラとそれぞれのＢＰフィルタ共振部を介して、同時に１つまたは複数の量子ビットを読み出すことによって変更され得る。そして、この変更された読み出し入力信号が、読み出し出力信号（ＲＥＡＤ_ＯＵＴ）としてリード線３２の読み出し出力ポート３９に供給される。この読み出し出力信号は、読み出された１つまたは複数の量子ビットに関連付けられた状態情報を提供する。なお、図２は、４つの共振部からなるフィルタを介して多重化される４つの量子ビットのみを示しているが、図１に示されるように、適切に設計されたＮ個の共振部からなる帯域通過フィルタを介して任意のＮ個の数の量子ビットを多重化することができる。

図３は、第１の量子ビット（＃１）の読み取しに関する図２のシステムの一部の概略図を示す。図３に示すように、第１のＢＰフィルタ共振部３４は、キャパシタＣ_２２と並列のインダクタＬ_７，Ｌ_１５によって形成されたシャントインダクタを含む。ＲＦ−ＳＱＵＩＤによって形成され、接合インダクタンスＬ_Ｊ１３とインダクタＬ_１０，Ｌ_１５とを含むチューナブルカプラは、シャントインダクタンスの一部を共有することによってフィルタの共振部にガルバニック結合されている。例えば、第１の量子ビット読み出し共振器ＴＬ１は、キャパシタＣ_２２と並列のインダクタＬ_７，Ｌ_１５からなるフィルタの第１のＢＰフィルタ共振部３４に対して、カプラＬ_１４−Ｌ_Ｊ１３−Ｌ_１５を介して、シャントインダクタＬ_１５によりガルバニック結合されている。全体の最大結合強度は、部分的にはＢＰフィルタ共振部３４の全インダクタンスに対する共有インダクタンスの割合によって決定される。各カプラは、関連するＲＦ−ＳＱＵＩＤループに磁束を印加することによって個別に制御可能である。

図３に示すように、制御電流Ｉ_ＣＮＴＬは、インダクタＬ_１４と、ジョセフソン接合Ｊ_１３のインダクタンスＬ_１３と、第１のＢＰフィルタ共振部３４のインダクタＬ_１５とからなるＲＦ−ＳＱＵＩＤループのインダクタＬ_１５に誘導結合された制御インダクタＬ_ＣＮＴＬに印加される。この制御電流は、ＲＦ−ＳＱＵＩＤループに磁束を誘導することにより、ジョセフソン接合Ｊ_１３を流れる電流を誘起する。ジョセフソン接合Ｊ_１３は、ジョセフソン接合Ｊ_１３を流れる電流に基づいて変化し得るインダクタンスＬ_Ｊ１３を有するため、制御電流Ｉ_ＣＮＴＬによってＲＦ−ＳＱＵＩＤのインピーダンス（例えば、インダクタンス）を制御することができ、これにより、チューナブルカプラのインダクタンスＬ_１３を介して、それぞれのＢＰフィルタ共振部３４に対する量子ビット読み出し共振器ＴＬ１の接合強度を制御することができる。ジョセフソン接合Ｊ_１３を流れる電流は、ＳＱＵＩＤに印加される磁束に基づいて誘起することができる。

一実施例において、ジョセフソン接合Ｊ_１３は、ＳＱＵＩＤに電流が誘起されないとき、またはＳＱＵＩＤに低い電流が誘起されるときには、第１のインダクタンスを有する。また、ジョセフソン接合Ｊ_１３は、ＳＱＵＩＤに電流が誘起されるとき、または、例えば、約０．１Φ_０よりも大きく且つ約０．４５Φ_０よりも小さい磁束を生成または誘導する所定のしきい値においてＳＱＵＩＤに高い電流が誘起されるときには、第２のインダクタンスを有する。ここで、Φ_０は、磁束量子に等しい。第１のインダクタンス（例えば、（ｈバー／２ｅ）×（１／ｌ_Ｃ）であり、ここで、ｈバーは換算プランク定数を表し、プランク定数を２πで割ったものであり、ｅは電子電荷であり、ｌ_Ｃはジョセフソン接合の臨界電流である）は、所与の量子ビット読み出し共振器とそれぞれのフィルタ共振部との間の結合をもたらして量子ビットのリセットを可能とする低インダクタンスとすることができる。第２のインダクタンス（例えば、大きなインダクタンス値）は、所与の量子ビット読み出し共振器とそれぞれのフィルタ共振部との間の結合分離をもたらして量子ビットの状態を変化させないまま維持することを可能とするおよび／または量子ビット上での動作を可能とする高インダクタンスとすることができる。また、中間制御信号を選択して中間インダクタンスを提供することにより、量子ビットの状態をリセットすることなくその量子ビットの読み取りを行うことが可能となる。これは、各量子ビット＃１〜＃４に適用される。

図４Ａおよび図４Ｂは、アジレント（Agilent）ＡＤＳソフトウェアを用いた図２の動作のシミュレーションにおけるフィルタ応答の周波数対Ｓパラメータのグラフを示す。ジョセフソン接合は、そのジョセフソン接合の動作をシミュレートするためにインダクタによって置き換えられている。量子ビットは省略したため、応答は量子ビット読み出し共振器にのみ関連付けられている。図４Ａは、全てのカプラが「オフ」状態にある場合のフィルタ応答を示した周波数対Ｓパラメータのグラフ５０を示す。第１の波形５２は、ＲＥＡＤ_ＩＮ信号が与えられたＲＥＡＤ_ＯＵＴ信号の応答Ｓ_２１またはＢＰフィルタを通じた送信を示す。第２の波形５４は、ＲＥＡＤ_ＩＮ信号を反映した応答Ｓ_１１を示す。図４Ｂは、全てのカプラが「オン」状態にあるときのフィルタ応答を示した周波数対Ｓパラメータのグラフ６０を示す。図４Ｂでは、４つの共振器フィルタ応答６２が示されており、各応答は、それぞれのＢＰフィルタ共振部との結合による特定の量子ビット読み出し共振器を表している。

図５Ａおよび図５Ｂは、４つの異なるカプラが各々特定の接合設定を有している場合についてアジレントＡＤＳソフトウェアを用いた図２の動作のシミュレーションにおけるフィルタ応答の周波数対送信のグラフを示す。具体的には、カプラの磁束の設定は、カプラ１が完全に「オン」となり、カプラ２が完全に「オフ」となり、カプラ３，４が中間結合状態となるように設定されている。図５Ａは、量子ビットを読み出すために行われる測定と同様、フィルタを介したＳ_２１のフィルタ応答波形のグラフ７０を示す。図５Ｂは、非常に弱く結合されたポートで観察される量子ビット読み出し共振器の応答を示したグラフ８０であって、読み出し共振器の負荷Ｑ値（Quality factor）の尺度を示す。

図示されているように、カプラ１に関連付けられた第１の読み出し共振器は、カプラ１が完全にオンしているため大きく減衰している。このカプラ設定は、関連する量子ビット１の高速リセットに対して有用である。カプラ２に関連付けられた読み出し共振器２は、図５Ｂの応答において非常に鋭い低下を示しており、これは、カプラ２が本質的にオフであるために高い負荷Ｑ値であることを示している。同じ共振器は図５Ａの応答のフィルタのＳ_２１ではほとんど分からない。このカプラ設定では、５０オームのマイクロ波環境への結合により量子ビットのデコヒーレンスが最小化される。この設定により、計算が実行されている間に読み出し回路から量子ビットが完全に分離される。カプラ３，４にそれぞれ関連付けられた共振器３，４は中程度の負荷Ｑ値を示し、図５Ａのグラフでは急峻な低下として現れる。このようなカプラ３，４の設定では、量子ビットは、通常のｃＱＥＤ読み出し技術を用いて読み出すことができる。

上記シミュレーション結果は、図２の回路に対応し、フィルタ共振部のインダクタンスはＬ_７＋Ｌ_１５＝３８１ｐＨ（同様に、Ｌ_１１＋Ｌ_１８、Ｌ_１２＋Ｌ_１９、Ｌ_１０＋Ｌ_２４についても同じ）であり、フィルタ共振部のキャパシタンスはＣ_２２＝Ｃ_２５＝０．３２６ｐＦ、Ｃ_２９＝Ｃ_３０＝０．３１８ｐＦであり、フィルタの直列キャパシタはＣ_２６＝Ｃ_２７＝０．３１８ｐＦ、Ｃ_２８＝Ｃ_３２＝０．１８８ｐＦ、Ｃ_３１＝０．１５８ｐＦである。全シャントインダクタンスに対する共有インダクタンスの割合ＫＫは、ＫＫ＝Ｌ_１５／（Ｌ_７＋Ｌ_１５）＝０．２である。

図６は、複数の量子ビットの多重読み出しのためのシステム９０のさらに別の例を示す。図６の例では、フィルタの共振部９２，９４，９６，９８は、集中定数素子Ｌ，Ｃ成分の代わりに、短絡１／４波長伝送線路スタブによって実現されている。第１のＢＰフィルタ共振部９２は、伝送線路スタブＴＬ１０と、それに直列の伝送線路スタブＴＬ１４とから形成され、第２のＢＰフィルタ共振部９４は、伝送線路スタブＴＬ１１と、それに直列の伝送線路スタブＴＬ１５とから形成されている。第３のＢＰフィルタ共振部９６は、伝送線路スタブＴＬ１２と、それに直列の伝送線路スタブＴＬ１６とから形成され、第４のＢＰフィルタ共振部９８は、伝送線路スタブＴＬ１３と、それに直列の伝送線路スタブＴＬ１７とから形成されている。この実装は、１／４波長スタブが特定の微細加工プロセスで容易に設計できるため有利である。スタブは、ストリップ線路の実現に適した比較的低いインピーダンス（例えば、２０オーム）か、またはコプレーナ（coplanar）導波路の実装により適した５０オームのインピーダンスで設計することができる。図６のシステム９０は平面的とすることができ、また、単一の金属層を用いて製造することができる。ガルバニック結合は、図６に示されるように、スタブの短絡端から距離ＫＫ（度）離れたノードにカプラを接続することによって提供される。

例えば、図６のストリップ線路及びＣＰＷの実装に適した回路部品の値は、以下の表に示される。一般に、共振部ｎのスタブ周波数ω_ｎとインピーダンスＺ_ｎは、ｎ番目の共振部の集中定数素子のインダクタＬ_ｎとキャパシタＣ_ｎに関連し、それぞれ、ω_ｎ＝１／√（Ｌ_ｎＣ_ｎ）、Ｚｎ＝π／４ω_ｎＣ_ｎで表される。

図７Ａおよび図７Ｂは、アジレントＡＤＳソフトウェアを用いた図６の動作のシミュレーションにおけるフィルタ応答の周波数対Ｓパラメータのグラフを示す。例示的なＳパラメータのフィルタのＡＤＳシミュレーションは図７Ｂに示されており、ここでは、カプラの磁束の特定の例として、カプラ１，４が読み出し用（中間結合）に設定され、カプラ２が量子ビットのリセット用（強結合）に調整され、カプラ３が量子ビットの記憶／消去の動作用（強分離）に「オフ」状態に調整されている。別のＳパラメータの例のフィルタのＡＤＳシミュレーションが図７Ｂに示されている。

要約すると、開示されるような調整可能な結合強度を有する、５０オーム環境と共振器との間のガルバニック結合は、ｃＱＥＤアーキテクチャにおける多重量子ビット読み出しおよびリセットに適しており、非常に有益である。ガルバニック結合は、強い最大結合を可能にし、帯域通過フィルタ回路にカプラ回路を埋め込むことによって容易となる。

上述の構造的及び機能的な特徴を考慮して、本発明の種々の態様による方法は、図８を参照することによってより良く理解され得る。説明を簡略化するために、図８の方法は、連続的に実行されるものとして示され説明されているが、本発明は、図示した順序に限定されるものではなく、本発明によれば、いくつかの態様では、異なる順序で生じ得ることおよび／または図示され説明されている態様とは別の態様と同時に生じ得ることが理解され得る。さらには、本発明の一態様による方法を実施するために図示された特徴の全てが必要とされるわけではない。

図８は、複数の量子ビットの多重読み出しのための方法１５０の一例を示す。１５２において、複数の量子ビットの多重読み出しのためのシステムが提供される。このシステムは、帯域通過（ＢＰ）フィルタを形成する複数のＢＰフィルタ共振部を含み得る。各ＢＰフィルタ共振部は、複数の量子ビット読み出し共振器のうちのそれぞれの量子ビット読み出し共振器を介して、リード線上のそれぞれ異なる点と複数の量子ビットのうちのそれぞれの量子ビットとの間に結合される。また、システムは、複数のＳＱＵＩＤを含み得る。各ＳＱＵＩＤは、リード線に対するそれぞれの量子ビットの結合強度を個々に調整可能である。各ＳＱＵＩＤは、それぞれのＢＰフィルタ共振部にガルバニック結合され得る。また、各ＳＱＵＩＤは、それぞれのＢＰフィルタ共振部と共通のインダクタンスを共有する。その後、方法は１５４に進む。

１５４において、読み出し対象の１つまたは複数の量子ビットがリード線に結合され、その他の量子ビット全てがリード線から分離される。リード線は、互いに直列に結合された複数のカップリングキャパシタを含み得る。１つまたは複数の量子ビットの結合は、その関連する量子ビットの高速リセットを可能にする強結合とすることができる。または、この結合は、読み出しを可能にする中間結合とすることができる。この中間結合は、読み出し忠実度を最適化するように連続的に調整され得る。１５６において、入力信号がリード線の入力ポートに供給される。１５８において、入力信号に基づいて、リード線の出力ポートから出力信号が読み出される。１６０において、読み出される１つまたは複数の量子ビットの状態が入力信号と出力信号との間の変化に基づいて決定される。

上記説明は本発明の例示であり、当然のことながら、本発明を説明する目的で構成要素または方法の考えられるすべての組み合わせを説明することは不可能である。当業者であれば、本発明の多くのさらなる組み合わせや置換が可能であることを認識し得る。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に含まれるそのような変更、修正、および変形をすべて包含することが意図されている。

上記説明は本発明の例示であり、当然のことながら、本発明を説明する目的で構成要素または方法の考えられるすべての組み合わせを説明することは不可能である。当業者であれば、本発明の多くのさらなる組み合わせや置換が可能であることを認識し得る。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に含まれるそのような変更、修正、および変形をすべて包含することが意図されている。
本開示に含まれる技術的思想を以下に記載する。
（付記１）
量子ビットの読み出しのためのシステムであって、
リード線上のそれぞれ異なる点に各々結合された複数の帯域通過（ＢＰ）フィルタ共振部であって、各ＢＰフィルタ共振部がそれぞれの量子ビット読み出し共振器を介してそれぞれの量子ビットに結合可能な複数のＢＰフィルタ共振部と、
複数のチューナブルカプラであって、各チューナブルカプラがそれぞれのＢＰフィルタ共振部と量子ビット読み出し共振器との間に結合された、複数のチューナブルカプラと、
前記各チューナブルカプラのインピーダンスを制御することによって、前記リード線に対する各量子ビットの結合強度を制御する結合コントローラと、
を備えるシステム。
（付記２）
前記各チューナブルカプラのインピーダンスは、前記リード線に対するそれぞれの量子ビットの強結合と、前記リード線に対するそれぞれの量子ビットの強分離と、前記リード線に対するそれぞれの量子ビットの中間結合とのうちの１つを提供するように、前記結合コントローラによって制御可能である、付記１に記載のシステム。
（付記３）
それぞれの量子ビットの強結合は、量子ビットから任意の状態情報を除去するそれぞれの量子ビットの高速リセットを可能とし、それぞれの量子ビットの強分離は、それぞれの量子ビットを前記リード線に結合することなくそれぞれの量子ビット上での動作の実行を可能にしてそれぞれの量子ビットの状態情報の保持を可能とし、それぞれの量子ビットに対する調整可能な中間結合は、量子ビット状態の高忠実度の読み出しを可能とする、付記２に記載のシステム。
（付記４）
前記各チューナブルカプラは、それぞれのＢＰフィルタ共振部にガルバニック結合されている、付記１に記載のシステム。
（付記５）
前記各チューナブルカプラは、少なくとも１つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）であり、前記少なくとも１つのジョセフソン接合を流れる電流により、前記ＳＱＵＩＤのインダクタンスと、前記リード線に対するそれぞれの量子ビットの結合強度とが変化する、付記１に記載のシステム。
（付記６）
前記各チューナブルカプラとそれぞれのＢＰフィルタ共振部が共通のインダクタンスを共有する、付記５に記載のシステム。
（付記７）
前記各ＢＰフィルタ共振部が、インダクタとキャパシタとを含む集中定数素子から形成される、付記１に記載のシステム。
（付記８）
前記各ＢＰフィルタ共振部が、１つまたは複数の伝送線路スタブから形成される、付記１に記載のシステム。
（付記９）
前記リード線が、互いに結合された複数の直列結合カップリングキャパシタから形成される、付記１に記載のシステム。
（付記１０）
読み出される１つまたは複数の量子ビットが、前記リード線に同時に結合可能である、付記１に記載のシステム。
（付記１１）
前記リード線は入力ポートと出力ポートを含み、前記入力ポートに供給される入力信号が１つまたは複数の量子ビットの読み出しによって変更されることにより、その変更された入力信号が、前記１つまたは複数の量子ビットの状態を規定可能な出力信号として出力ポートに供給される、付記１０に記載のシステム。
（付記１２）
量子ビットの多重読み出しのためのシステムであって、
帯域通過（ＢＰ）フィルタを形成する複数のＢＰフィルタ共振部であって、各ＢＰフィルタ共振部が、リード線上のそれぞれ異なる点と、それぞれの量子ビット読み出し共振器を介したそれぞれの量子ビットとの間に結合された、複数のＢＰフィルタ共振部と、
複数のチューナブルカプラであって、各チューナブルカプラがそれぞれのＢＰフィルタ共振部にガルバニック結合され、かつ、各チューナブルカプラが少なくとも１つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）であり、前記ＳＱＵＩＤに誘導される磁束により、前記少なくとも１つのジョセフソン接合のインダクタンスと、前記リード線に対するそれぞれの量子ビットの結合強度とが変化する、複数のチューナブルカプラと、
各ＳＱＵＩＤに誘導される磁束の量を制御することによって、前記リード線に対する各量子ビットの結合強度を制御する結合コントローラと、
を備えるシステム。
（付記１３）
前記リード線に対する各量子ビットの結合強度を、強結合、強分離、および中間結合のうちの１つとすることができる、付記１２に記載のシステム。
（付記１４）
前記各チューナブルカプラとそれぞれのＢＰフィルタ共振部は共通のインダクタンスを共有する、付記１２に記載のシステム。
（付記１５）
前記リード線が、互いに結合された複数の直列結合カップリングキャパシタから形成される、付記１２に記載のシステム。
（付記１６）
前記リード線は入力ポートと出力ポートを含み、前記入力ポートに供給される入力信号が前記複数の量子ビットのうちの１つまたは複数の量子ビットの読み出しによって変更されることにより、その変更された入力信号が、前記１つまたは複数の量子ビットの状態を規定可能な出力信号として出力ポートに供給される、付記１２に記載のシステム。
（付記１７）
量子ビットの多重読み出しのための方法であって、
帯域通過（ＢＰ）フィルタを形成する複数のＢＰフィルタ共振部を含むシステムを提供することであって、各ＢＰフィルタ共振部が、リード線上のそれぞれ異なる点と、複数の量子ビット読み出し共振器のうちのそれぞれの量子ビット読み出し共振器を介した複数の量子ビットのうちのそれぞれの量子ビットとの間に結合されている、前記システムを提供すること、
前記リード線に対して１つまたは複数の量子ビットを結合しつつ、前記リード線に対して前記複数の量子ビットのうちの他の量子ビットを分離すること、
前記リード線の入力ポートに入力信号を供給すること、
前記リード線の出力ポートから出力信号を読み出すこと、
前記入力信号と前記出力信号との間の変化に基づいて前記１つまたは複数の量子ビットの状態を決定すること、
を備える方法。
（付記１８）
前記リード線に対する前記１つまたは複数の量子ビットの結合は、少なくとも１つの量子ビットの状態をリセットするための前記リード線に対する少なくとも１つの量子ビットの強結合と、少なくとも１つの量子ビットの状態を読み出すための前記リード線に対する少なくとも１つの量子ビットの中間結合と、少なくとも１つの量子ビット上で動作を実行可能とするための前記リード線に対する少なくとも１つの量子ビットの強分離とのうちの１つを含む、付記１７に記載の方法。
（付記１９）
前記リード線に対する前記１つまたは複数の量子ビットの結合は、前記１つまたは複数の量子ビットの状態の高忠実度の読み出しを行うための、前記リード線に対する前記１つまたは複数の量子ビットの調整可能な中間結合を含む、付記１７に記載の方法。
（付記２０）
前記システムを提供することは、複数の超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を提供することを含み、各ＳＱＵＩＤは、それぞれのＢＰフィルタ共振部にガルバニック結合されており、当該方法はさらに、前記リード線に対するそれぞれの量子ビットの結合強度を制御する磁束量を各ＳＱＵＩＤにおいて誘導することを備える、付記１７に記載の方法。

Claims

量子ビットの読み出しのためのシステムであって、
リード線上のそれぞれ異なる点に各々結合された複数の帯域通過（ＢＰ）フィルタ共振部であって、各ＢＰフィルタ共振部がそれぞれの量子ビット読み出し共振器を介してそれぞれの量子ビットに結合可能な複数のＢＰフィルタ共振部と、
複数のチューナブルカプラであって、各チューナブルカプラがそれぞれのＢＰフィルタ共振部と量子ビット読み出し共振器との間に結合された、複数のチューナブルカプラと、
前記各チューナブルカプラのインピーダンスを制御することによって、前記リード線に対する各量子ビットの結合強度を制御する結合コントローラと、
を備えるシステム。
前記各チューナブルカプラのインピーダンスは、前記リード線に対するそれぞれの量子ビットの強結合と、前記リード線に対するそれぞれの量子ビットの強分離と、前記リード線に対するそれぞれの量子ビットの中間結合とのうちの１つを提供するように、前記結合コントローラによって制御可能である、請求項１に記載のシステム。
それぞれの量子ビットの強結合は、量子ビットから任意の状態情報を除去するそれぞれの量子ビットの高速リセットを可能とし、それぞれの量子ビットの強分離は、それぞれの量子ビットを前記リード線に結合することなくそれぞれの量子ビット上での動作の実行を可能にしてそれぞれの量子ビットの状態情報の保持を可能とし、それぞれの量子ビットに対する調整可能な中間結合は、量子ビット状態の高忠実度の読み出しを可能とする、請求項２に記載のシステム。
前記各チューナブルカプラは、それぞれのＢＰフィルタ共振部にガルバニック結合されている、請求項１に記載のシステム。
前記各チューナブルカプラは、少なくとも１つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）であり、前記少なくとも１つのジョセフソン接合を流れる電流により、前記ＳＱＵＩＤのインダクタンスと、前記リード線に対するそれぞれの量子ビットの結合強度とが変化する、請求項１に記載のシステム。
前記各チューナブルカプラとそれぞれのＢＰフィルタ共振部が共通のインダクタンスを共有する、請求項５に記載のシステム。
前記各ＢＰフィルタ共振部が、インダクタとキャパシタとを含む集中定数素子から形成される、請求項１に記載のシステム。
前記各ＢＰフィルタ共振部が、１つまたは複数の伝送線路スタブから形成される、請求項１に記載のシステム。
前記リード線が、互いに結合された複数の直列結合カップリングキャパシタから形成される、請求項１に記載のシステム。
読み出される１つまたは複数の量子ビットが、前記リード線に同時に結合可能である、請求項１に記載のシステム。
前記リード線は入力ポートと出力ポートを含み、前記入力ポートに供給される入力信号が１つまたは複数の量子ビットの読み出しによって変更されることにより、その変更された入力信号が、前記１つまたは複数の量子ビットの状態を規定可能な出力信号として出力ポートに供給される、請求項１０に記載のシステム。
量子ビットの多重読み出しのためのシステムであって、
帯域通過（ＢＰ）フィルタを形成する複数のＢＰフィルタ共振部であって、各ＢＰフィルタ共振部が、リード線上のそれぞれ異なる点と、それぞれの量子ビット読み出し共振器を介したそれぞれの量子ビットとの間に結合された、複数のＢＰフィルタ共振部と、
複数のチューナブルカプラであって、各チューナブルカプラがそれぞれのＢＰフィルタ共振部にガルバニック結合され、かつ、各チューナブルカプラが少なくとも１つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）であり、前記ＳＱＵＩＤに誘導される磁束により、前記少なくとも１つのジョセフソン接合のインダクタンスと、前記リード線に対するそれぞれの量子ビットの結合強度とが変化する、複数のチューナブルカプラと、
各ＳＱＵＩＤに誘導される磁束の量を制御することによって、前記リード線に対する各量子ビットの結合強度を制御する結合コントローラと、
を備えるシステム。
前記リード線に対する各量子ビットの結合強度を、強結合、強分離、および中間結合のうちの１つとすることができる、請求項１２に記載のシステム。
前記各チューナブルカプラとそれぞれのＢＰフィルタ共振部は共通のインダクタンスを共有する、請求項１２に記載のシステム。
前記リード線が、互いに結合された複数の直列結合カップリングキャパシタから形成される、請求項１２に記載のシステム。
前記リード線は入力ポートと出力ポートを含み、前記入力ポートに供給される入力信号が前記複数の量子ビットのうちの１つまたは複数の量子ビットの読み出しによって変更されることにより、その変更された入力信号が、前記１つまたは複数の量子ビットの状態を規定可能な出力信号として出力ポートに供給される、請求項１２に記載のシステム。
量子ビットの多重読み出しのための方法であって、
帯域通過（ＢＰ）フィルタを形成する複数のＢＰフィルタ共振部を含むシステムを提供することであって、各ＢＰフィルタ共振部が、リード線上のそれぞれ異なる点と、複数の量子ビット読み出し共振器のうちのそれぞれの量子ビット読み出し共振器を介した複数の量子ビットのうちのそれぞれの量子ビットとの間に結合されている、前記システムを提供すること、
前記リード線に対して１つまたは複数の量子ビットを結合しつつ、前記リード線に対して前記複数の量子ビットのうちの他の量子ビットを分離すること、
前記リード線の入力ポートに入力信号を供給すること、
前記リード線の出力ポートから出力信号を読み出すこと、
前記入力信号と前記出力信号との間の変化に基づいて前記１つまたは複数の量子ビットの状態を決定すること、
を備える方法。
前記リード線に対する前記１つまたは複数の量子ビットの結合は、少なくとも１つの量子ビットの状態をリセットするための前記リード線に対する少なくとも１つの量子ビットの強結合と、少なくとも１つの量子ビットの状態を読み出すための前記リード線に対する少なくとも１つの量子ビットの中間結合と、少なくとも１つの量子ビット上で動作を実行可能とするための前記リード線に対する少なくとも１つの量子ビットの強分離とのうちの１つを含む、請求項１７に記載の方法。
前記リード線に対する前記１つまたは複数の量子ビットの結合は、前記１つまたは複数の量子ビットの状態の高忠実度の読み出しを行うための、前記リード線に対する前記１つまたは複数の量子ビットの調整可能な中間結合を含む、請求項１７に記載の方法。
前記システムを提供することは、複数の超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を提供することを含み、各ＳＱＵＩＤは、それぞれのＢＰフィルタ共振部にガルバニック結合されており、当該方法はさらに、前記リード線に対するそれぞれの量子ビットの結合強度を制御する磁束量を各ＳＱＵＩＤにおいて誘導することを備える、請求項１７に記載の方法。