JP2019041121A

JP2019041121A - 超伝導デバイスにおける磁束制御

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Inventors: ユ・チェン; Yu Chen; ドヴィール・カフリ; Kafri Dvir
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Abstract

【課題】超伝導デバイスにおける磁束制御を提供すること。【解決手段】デバイスは、第１のコプレーナ導波路を含む第１のキュービットと、第２のコプレーナ導波路を含む第２のキュービットであって、第２のコプレーナ導波路が第１のコプレーナ導波路と交差する、第２のキュービットと、第１のローブおよび第２のローブを有するループを含むキュービットカプラとを含み、第１のローブの第１の部分が第１のコプレーナ導波路と平行に延び、第１のローブの第２の部分が第２のコプレーナ導波路と平行に延び、第２のローブの第１の部分が第１のコプレーナ導波路と平行に延び、第２のローブの第２の部分が第２のコプレーナ導波路と平行に延びる。【選択図】図１Ａ

Description

本開示は超伝導デバイスにおける磁束制御に関する。

量子計算は、特定の計算を古典デジタルコンピュータよりも効率的に実行するために基礎状態（ｂａｓｉｓｓｔａｔｅ）の重ね合せおよびもつれなどの量子効果を利用する比較的新しい計算方法である。情報をビット（例えば、「１」または「０」）の形態で記憶し操作するデジタルコンピュータとは対照的に、量子計算システムはキュービットを使用して情報を操作することができる。キュービットは、多数の状態の重ね合せ（例えば、「０」状態と「１」状態の両方のデータ）を可能にする量子デバイス、および／または多数の状態のデータ自体の重ね合せを指すことができる。従来の用語によれば、量子系における「０」状態と「１」状態との重ね合せは、例えば、α｜０＞＋β｜１＞として表すことができる。デジタルコンピュータの「０」状態および「１」状態は、それぞれ、キュービットの｜０＞基礎状態および｜１＞基礎状態に類似している。値｜α｜^２はキュービットが｜０＞状態にある確率を表し、値｜β｜^２はキュービットが｜１＞基礎状態にある確率を表す。

ＷＯ２０１７／０５８１９４

Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１１８巻、０５７７０２（２０１７）Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ．９５巻、０５２３３３（２０１７）Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ８０巻、０５２５０６（２００９）

一般に、いくつかの態様において、本開示の主題は、第１のコプレーナ導波路を含む第１のキュービットと、第２のコプレーナ導波路を含む第２のキュービットであって、第２のコプレーナ導波路が第１のコプレーナ導波路と交差する、第２のキュービットと、第１のローブおよび第２のローブを有するループを含むキュービットカプラとを含み、第１のローブの第１の部分が第１のコプレーナ導波路と平行に延び、第１のローブの第２の部分が第２のコプレーナ導波路と平行に延び、第２のローブの第１の部分が第１のコプレーナ導波路と平行に延び、第２のローブの第２の部分が第２のコプレーナ導波路と平行に延びるデバイスで具現することができる。

デバイスの実施態様は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。例えば、いくつかの実施態様では、デバイスは、第２のコプレーナ導波路が第１のコプレーナ導波路と交差する位置のまわりに配置された多数の接地パッドを含む。多数の接地パッドは、２×２アレイに配置された４つの接地パッドから構成され得る。多数の接地パッドの各接地パッドは、多数の超伝導エアブリッジに接続され得る。多数の接地パッドの接地パッドごとに、多数の超伝導エアブリッジのうちの少なくとも１つの超伝導エアブリッジが、接地パッドを接地面に接続することができる。多数の接地パッドの接地パッドごとに、接地パッドを接地面に接続する少なくとも１つの超伝導エアブリッジは、接地パッドの対応側のほぼ中央に位置することができる。多数の接地パッドの接地パッドごとに、多数の超伝導エアブリッジのうちの少なくとも１つの超伝導エアブリッジが、接地パッドを隣接する接地パッドに接続することができる。多数の接地パッドのうちの第１の接地パッドがキュービットカプラの第１のローブ内に位置することができ、多数の接地パッドのうちの第２の接地パッドがキュービットカプラの第２のローブ内に位置することができる。第１のローブおよび第２のローブは、第２のコプレーナ導波路が第１のコプレーナ導波路を横切る位置のまわりで互いに対して対角線状に配置され得る。

いくつかの実施態様では、キュービットカプラは、第２のローブに接続された傾斜バイアスラインを含み、デバイスは、傾斜バイアスラインを横切る少なくとも１つの超伝導エアブリッジをさらに含み、各超伝導エアブリッジの第１の端部が、傾斜バイアスラインの第１の側の接地面に接続され、各超伝導エアブリッジの第２の端部が、第１の側とは反対側の傾斜バイアスラインの第２の側の接地面に接続される。傾斜バイアスラインを横切る各超伝導エアブリッジは、超伝導エアブリッジが横切る傾斜バイアスラインの一部を通る電流流れの方向と直交する方向に伸ばされ得る。

いくつかの実施態様では、キュービットカプラは、細長い超伝導トレースを通して第１のローブに接続された超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）バイアスラインを含み、デバイスは、細長い超伝導トレースを横切る少なくとも１つの超伝導エアブリッジをさらに含み、各超伝導エアブリッジの第１の端部が、細長い超伝導トレースの第１の側の接地面に接続され、各超伝導エアブリッジの第２の端部が、第１の側とは反対側の細長い超伝導トレースの第２の側の接地面に接続される。細長い超伝導トレースを横切る各超伝導エアブリッジは、超伝導エアブリッジが横切る細長い超伝導トレースの一部を通る電流流れの方向と直交する方向に伸ばされ得る。

いくつかの実施態様では、第１のローブおよび第２のローブの各々は、対応する接地面間隙領域を取り囲む。デバイスは、接地面が完全に取り除かれた２つの追加の接地面間隙領域をさらに含むことができ、各接地面間隙領域はほぼ同じ面積であり、接地面間隙領域は、第２のコプレーナ導波路が第１のコプレーナ導波路を横切る位置のまわりの象限に配置される。

いくつかの実施態様では、デバイスは、第１のキュービット、第２のキュービット、およびキュービットカプラが配置される第１の基板と、第１の基板に接合された第２の基板と、第１の基板の間の多数のバンプ接合部とを含む。キュービットカプラは、第２のローブに接続された傾斜バイアスラインと、第１のローブに接続された細長い第１の超伝導トレースとを含むことができる。デバイスは、さらに、第１の基板の接地面であって、接地面の第１の部分が傾斜バイアスラインの第１の側に隣接し、接地面の第２の部分が、第１の側とは反対側の傾斜バイアスラインの第２の側に隣接する、接地面と、第２の基板の第２の超伝導トレースであって、第１のバンプ接合部が、接地面の第１の部分を超伝導トレースの第１の端部に接続し、第２のバンプ接合部が、接地面の第２の部分を第２の超伝導トレースの第２の端部に接続する、第２の超伝導トレースとを含むことができる。第２の超伝導トレースは、第１の基板の傾斜バイアスラインの一部を横切ることができ、第２の超伝導トレースが横切る傾斜バイアスラインの一部を通る電流流れの方向と直交する方向に伸ばされ得る。デバイスは、さらに、第１の基板の接地面であって、接地面の第１の部分が、細長い第１の超伝導トレースの第１の側に隣接し、接地面の第２の部分が、第１の側とは反対側の細長い第１の超伝導トレースの第２の側に隣接する、接地面と、第２の基板の第２の超伝導トレースであって、第１のバンプ接合部が、接地面の第１の部分を第２の超伝導トレースの第１の端部に接続し、第２のバンプ接合部が、接地面の第２の部分を第２の超伝導トレースの第２の端部に接続する、第２の超伝導トレースとを含むことができる。第２の超伝導トレースは、第１の基板の細長い第１の超伝導トレースの一部を横切ることができ、第２の超伝導トレースが横切る細長い第１の超伝導トレースの一部を通る電流流れの方向と直交する方向に伸ばされ得る。

いくつかの実施態様では、キュービットカプラは、概略レムニスケート形状を含む。

いくつかの実施態様では、第１のローブおよび第２のローブは、第２のコプレーナ導波路が第１のコプレーナ導波路を横切る位置のまわりで互いに対して対角線状に配置される。

いくつかの実施態様では、キュービットカプラは、第１のコプレーナ導波路と第２のコプレーナ導波路とを横切る。

いくつかの実施態様では、第２のコプレーナ導波路が第１のコプレーナ導波路を横切る位置において、第２のコプレーナ導波路と第１のコプレーナ導波路との間に空隙がある。

いくつかの実施態様では、第１のキュービットおよび第２のキュービットの各々は、コプレーナ導波路磁束キュービットである。

ここで説明する主題の特定の実施態様は、以下の利点のうちの１つまたは複数を実現することができる。例えば、いくつかの実施態様では、実質的なレムニスケート形状を有する調整可能キュービットカプラは、第１のキュービットとキュービットカプラ要素とに関連する相互インダクタンス（例えば、Ｍ（キュービット_１−カプラ））ならびに第２のキュービットとキュービットカプラ要素とに関連する相互インダクタンス（例えば、Ｍ（カプラ−キュービット_２））を増加させることができる。追加として、本開示の調整可能キュービットカプラは、直接キュービット間結合インダクタンス（例えば、Ｍ（キュービット_１−キュービット_２））と比べて仲介されたキュービット間結合インダクタンス（例えば、Ｍ（キュービット_１−カプラ−キュービット_２））を増加させることによって全キュービット−キュービット結合を増加させることができる。それ自体を横切る単一ループを使用して概略レムニスケートまたはグラジオメータ形状を確立することによって、カプラ要素のための制御要素の数を減らすことができる。追加として、いくつかの実施態様では、カプラの概略レムニスケートまたはグラジオメータ形状は、カプラサイズ要件を緩和し、基板に形成される回路要素の数の増加（例えば、キュービットの数の増加）を可能にするのに役立つことができる。接地面間隙領域を導入することによって、いくつかの実施態様では、２つのキュービット間に正味ゼロ相互または直接インダクタンスをもたらすことが可能である。さらに、エアブリッジ交差構造を設けることによって、接地面のエッジに沿った経路と比べてリターン電流のためのより低いインピーダンス経路を設けることができ、それにより、いくつかの実施態様では、クロストークの低減がもたらされる。

１つまたは複数の実施態様の詳細が、添付図面および以下の説明に記載されている。他の特徴および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。

量子計算プロセッサのためのキュービット結合アーキテクチャの一例の上面図を示す概略図である。図１Ａのキュービット結合アーキテクチャの拡大図を示す概略図である。図１Ａのキュービット結合アーキテクチャの等価回路図を示す回路概略図である。第１のキュービットと第２のキュービットとの間の交差点のまわりの異なる領域におけるキュービットカプラ電流流れの結果としての相互インダクタンスの符号の一例を示す概略図である。図１Ｂに示したレイアウトを有するキュービットカプラ要素のキュービットカプラ電流流れの結果としての相互インダクタンスの符号の一例を示す概略図である。量子計算プロセッサのためのキュービット結合アーキテクチャの一例の上面図を示す概略図である。量子計算プロセッサのためのキュービット結合アーキテクチャの一例の上面図を示す概略図である。図１Ｂに示した構造内の一領域の拡大図を示す概略図である。図１Ｂに示した構造内の一領域の拡大図を示す概略図である。第２のチップに接合された第１のチップを含む量子プロセッサの側面図を示す概略図である。量子プロセッサのためのキュービット結合アーキテクチャを含む第１のチップの一例を示す写真である。

量子計算は、量子コンピュータの量子ビット（キュービット）に記憶された量子情報をコヒーレントに処理することを必要とする。超伝導量子計算は、量子計算回路要素が部分的に超伝導材料から形成されている量子計算技術の有望な実施態様である。超伝導量子コンピュータは、典型的には、２つの最低エネルギー準位が計算基礎として使用される多準位系である。

量子アニーラなどの特定のタイプの量子計算プロセッサでは、量子プロセッサのキュービットが制御可能な方法で一緒に結合され、その結果、各キュービットの量子状態は、それが結合されている他のキュービットの対応する量子状態に影響を与える。プロセッサ設計に応じて、選ばれたアーキテクチャは、結合のために利用可能なキュービットの密度および総数を制限し、したがって、多数のキュービットを必要とする複雑な問題を実行するためのプロセッサ能力を制限することがある。さらに、特定の量子計算設計では、キュービットは、２準位系との相互作用に起因するエネルギー損失およびデコヒーレンスを被ることがある。したがって、量子アニーラなどの量子計算システムの性能を向上させるには、コンパクトなカプラ占有面積、強いキュービット間結合、および低レベルのクロストークをもつ、キュービット間の高い接続性を達成するアーキテクチャを提供することが有用である。

図１Ａは、量子プロセッサのための例示的なキュービット結合アーキテクチャ１００の上面図を示す概略図である。量子プロセッサは、１つまたは複数の量子情報処理デバイス、例えば、１つまたは複数のキュービットを含み、量子計算またはシミュレーションを実行するために使用される物理的システムとすることができる。量子プロセッサに含まれる物理的システムのタイプは、量子プロセッサのタイプと、実行されるべき計算とに依存し得る。例えば、いくつかの場合では、量子プロセッサは、超伝導キュービット、例えば、位相キュービット、コプレーナ導波路磁束キュービットなどの磁束キュービット、トランズモンキュービット、ジーモンキュービット（ｇｍｏｎｑｕｂｉｔ）、または他のタイプのキュービットの回路を含む量子アニールデバイスとすることができる。図１Ａの例に示したキュービット結合アーキテクチャ１００は、量子アニーラとして使用することができる。代替として、キュービット結合アーキテクチャは、量子シミュレータのような他のタイプの量子プロセッサで使用することができる。

図１Ｂは、領域１０内に含まれる図１Ａのキュービット結合アーキテクチャ１００の拡大図を示す概略図である。量子アニーラは、第１のキュービット１０２と、第２のキュービット１０４と、第１のキュービット１０２を第２のキュービット１０４に結合させるためのキュービットカプラ要素１０６とを含む。量子アニーラには、超伝導材料から形成され、キュービットおよびキュービットカプラのまわりの様々な場所に位置する接地面１０８がさらに含まれる。キュービット１０２、１０４、キュービットカプラ要素１０６、および接地面１０８は、シリコンまたはサファイアなどの誘電体基板上に形成される。図１Ａに示すアーキテクチャは、２つのキュービットおよび１つのキュービットカプラ要素のみを含んでいるが、アーキテクチャは、追加のキュービット（例えば、４個、６個、８個、１０個、２０個、３０個、４０個、５０個、１００個、１０００個、またはそれ以上）と追加のキュービットカプラ（例えば、２個、３個、４個、５個、１０個、１５個、２０個、２５個、５０個、１００個、５００個、またはそれ以上）とを含むように拡張することができる。

図１Ａの例に示した第１のキュービット１０２および第２のキュービット１０４の各々は、コプレーナ導波路磁束キュービット（「フラックスモンキュービット（ｆｌｕｘｍｏｎｑｕｂｉｔ）」とも呼ばれる）である。フラックスモンキュービットは、超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）と並列に結合された超伝導コプレーナ導波路を含む。例えば、第１のキュービット１０２は、第１のコプレーナ導波路１１２の第１の端部に結合された第１のＳＱＵＩＤ１１０を含む。第１のコプレーナ導波路１１２の第２の端部１１４は、接地面１０８に結び付けられる。同様に、第２のキュービット１０４は、第２のコプレーナ導波路１２２の第１の端部に結合された第２のＳＱＵＩＤ１２０を含む。第２のコプレーナ導波路１２２の第２の端部１２４は接地面１０８に結び付けられる。第１のコプレーナ導波路１１２および第２のコプレーナ導波路１２２は、超伝導材料の細長い薄膜トレースとして基板に配置され、その各々は、細長いトレースの両側において同一の広がりをもつ間隙によって接地面１０８から分離される。コプレーナ導波路１１２、１２２、ＳＱＵＩＤ１１０、１２０、および接地面１０８を形成するために使用される超伝導材料は、アルミニウム（１．２ケルビンの超伝導臨界温度）またはニオビウム（９．３ケルビンの超伝導臨界温度）などの超伝導臨界温度以下で超伝導特性を示す材料を含む。

キュービット１０２、１０４の各々は、キュービットの動作を制御するための調整可能キュービット制御要素に結合可能である。調整可能キュービット制御要素は、キュービットが形成される同じチップに位置してもよく、または別個のチップに位置してもよい。調整可能キュービット制御要素のタイプは、量子プロセッサに含まれる物理システムのタイプに依存する。例えば、量子プロセッサが、例えば超伝導回路として配置された超伝導キュービットのシステムを含む場合、調整可能キュービット制御要素は、超伝導キュービットに変化をもたらす外部印加電圧または電流に比例するバイアスを供給することができる。印加バイアスの各構成は、量子プロセッサに対して異なる効果を有することができる。

キュービット制御要素は、例えば、ＳＱＵＩＤバイアス制御要素および傾斜バイアス制御要素を含むことができる。例えば、第１のキュービット１０２は、第１のＳＱＵＩＤバイアス制御要素１４０に結合され、第１の傾斜バイアス制御要素１４２に結合され得る。同様に、第２のキュービット１０４は、第２のＳＱＵＩＤバイアス制御要素１５０に結合され、第２の傾斜バイアス制御要素１５２に結合され得る。傾斜バイアス制御要素は、キュービットの動作中に二重井戸ポテンシャルを傾ける／摂動させるために制御信号（例えば、磁束バイアス）を供給し、一方、ＳＱＵＩＤバイアス制御要素は、キュービットの動作中にポテンシャル井戸間の障壁の大きさを調節するためにまたはキュービットの動作周波数を変更するために制御信号（例えば、磁束バイアス）を供給する。キュービット制御要素による追加の制御機能も可能である。磁束キュービットの構造、製作、および構成に関するさらなる詳細は、例えば、ＷＯ２０１７／０５８１９４に見いだすことができ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

キュービットカプラ要素１０６は、ループ内に配置された細長い超伝導トレースおよびＳＱＵＩＤ１６０を含み、第１のキュービット１０２と第２のキュービット１０４との間の結合を可能にするために使用される。キュービットのコプレーナ導波路と同様に、キュービットカプラ要素１０６の細長いトレースは、アルミニウム（１．２ケルビンの超伝導臨界温度）またはニオビウム（９．３ケルビンの超伝導臨界温度）などの超伝導臨界温度以下で超伝導特性を示す材料から形成される。

キュービットカプラ要素１０６は、さらに、キュービット間の結合を制御するための調整可能カプラ制御要素に結合可能である。調整可能キュービット制御要素と同様に、調整可能カプラ制御要素は、超伝導キュービットカプラ要素に変化をもたらす外部印加電圧または電流に比例するバイアスを供給することができる。印加バイアスの各構成は、量子プロセッサに対して異なる効果を有することができる。一例として、キュービットカプラ要素１０６のＳＱＵＩＤ１６０は、カプラＳＱＵＩＤバイアス制御要素１７０に結合可能である。ＳＱＵＩＤ１６０の反対側のループの端部において、キュービットカプラ要素１０６は、カプラ傾斜バイアス制御要素１７２に結合可能である。カプラＳＱＵＩＤバイアス制御要素１７０とカプラ傾斜バイアス制御要素１７２の両方は、カプラ要素１０６を制御するために使用することができ、その結果、キュービット−キュービット結合を調整することができる。ＳＱＵＩＤバイアス制御要素１７０はカプラＳＱＵＩＤ要素１６０の全臨界電流を修正し、一方、傾斜バイアス制御要素１７２はカプラＳＱＵＩＤ要素１６０の実効位相を変更する。ＳＱＵＩＤバイアス制御要素１７０は、クロストークを低減するのに有用である局所的な磁束をＳＱＵＩＤ内部に主として導入するので、調整のために使用することができるが、一方、傾斜バイアス制御要素１７２は、カプラ較正およびクロストーク補償のために使用することができる。磁束キュービットおよびカプラ要素の構造、製作、および構成のさらなる詳細は、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１１８巻、０５７７０２（２０１７）およびＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ．９５巻、０５２３３３（２０１７）に見いだすことができ、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。

図２は、図１に示したアニーラの等価回路図を示す回路概略図である。図２に示すように、アニーラは、第１のコプレーナ導波路１１２に並列に結合された第１のＳＱＵＩＤ１１０から構成された第１のキュービット１０２を含み、第１のコプレーナ導波路１１２は第１のキャパシタ２０２および第１のインダクタ２０４によって表される。アニーラは、第２のコプレーナ導波路１２２に並列に結合された第２のＳＱＵＩＤ１２０から構成された第２のキュービット１０４をさらに含み、第２のコプレーナ導波路１２２は第２のキャパシタ２０６および第２のインダクタ２０８によって表される。第１のキュービット１０２と第２のキュービット１０４との間にキュービットカプラ要素１０６があり、キュービットカプラ要素１０６は、ＳＱＵＩＤ１６０および第２のインダクタ２１２と直列の第１のインダクタ２１０を含む。回路図の接地２１４は接地面１０８によって与えられる。

図１Ａに戻ると、アーキテクチャ１００のキュービットおよびキュービットカプラ要素の構成は両方ともコンパクトであり、強いキュービット間結合を可能にする。特に、図１Ｂの拡大図に示したように、フラックスモンキュービット１０２、１０４は、それぞれのコプレーナ導波路が互いに直角に交差するように配置される。図１Ａに示した例では、第１のコプレーナ導波路１１２が第２のコプレーナ導波路１２２を横切る。代替として、第２の導波路１２２が第１の導波路１１２を横切ってもよい。コプレーナ導波路は互いに直交して配置されるので、交差点において導波路間の直接的な電磁結合はほとんどまたは全くない。むしろ、キュービット間結合は、主として、各キュービットのコプレーナ導波路１１２、１２２の間にキュービットカプラ要素１０６を位置付けることによって達成される。したがって、キュービットカプラ要素１０６は、両方のキュービット１０２、１０４に磁気的に結合することができる磁束トランスフォーマとして働く。

追加のキュービットは、細長い導波路１１２の長さに沿った異なる位置においてキュービット１０２の第１のコプレーナ導波路１１２と交差するように追加のキュービットのコプレーナ導波路を配置することによって、キュービット１０４と同じ方法でキュービット１０２に結合することができる。各交差において、対応するキュービットカプラ要素を設けて、キュービット間の電磁結合を可能にすることができる。このようにして、第１のコプレーナ導波路１１２を量子バスとして利用することができ、その結果、多数のキュービットが互いに結合することができる。同様に、追加のキュービットは、細長い導波路１２２の長さに沿った異なる位置においてキュービット１０４の第２のコプレーナ導波路１２２と交差するように追加のキュービットのコプレーナ導波路を配置することによって、キュービット１０４に結合することができる。再び、各交差において、対応するキュービットカプラ要素を設けて、キュービット間の電磁結合を可能にすることができる。このようにして、第２のコプレーナ導波路１２２を量子バスとしても利用することができ、その結果、多数のキュービットが互いに結合することができる。各交差におけるコプレーナ導波路間の直接的な電気接触は、交差しているコプレーナ導波路を飛び越える超伝導エアブリッジ構造を形成することによって避けられる。例えば、図１Ｂに示すように、第１の超伝導エアブリッジ構造１８０が、第２のコプレーナ導波路１２２の上で延びて、第１のコプレーナ導波路に直接電気的に結合される。エアブリッジ１８０と第２のコプレーナ導波路１２２との間の空隙が、電気接触を防止する。超伝導エアブリッジ構造は、一般に、どの超伝導構造とも直交して向きを定められ、超伝導エアブリッジ構造は、エアブリッジと、交差している超伝導構造との間の電磁結合を避けるように超伝導構造と交差する。

第１のキュービット１０２と第２のキュービット１０４との間の電磁結合を可能にするために、キュービットカプラ要素１０６の超伝導ループは、概略レムニスケートまたは「８の字」形状を有するように形成され、超伝導ループは、それ自体を横切り、多数の場所で第１のコプレーナ導波路１１２および第２のコプレーナ導波路１２２を横切る。この形状は、「グラジオメータ」設計と呼ばれることもある。横切る構造との直接電気接触を避けるために、超伝導エアブリッジが交差点ごとに設けられる。例えば、キュービットカプラ要素１０６には、第１のコプレーナ導波路１１２を横切り、第１のコプレーナ導波路１１２に直接電気的または磁気的に結合しない超伝導エアブリッジ１８２が含まれ得る。キュービットカプラ要素１０６には、さらに、第２のコプレーナ導波路１２２を横切り、第２のコプレーナ導波路１２２に直接電気的に接続しないかまたは磁気的に結合しない超伝導エアブリッジ１８４が含まれ得る。キュービットカプラ要素１０６には、さらに、第２のコプレーナ導波路１２２およびキュービットカプラ要素１０６自体を横切り、第２のコプレーナ導波路１２２およびキュービットカプラ要素１０６自体に電気的または磁気的に結合しない超伝導エアブリッジ１８６が含まれ得る。アニーラの超伝導エアブリッジは、アルミニウムまたはニオビウムなどの超伝導材料から形成することができる。

キュービットカプラ要素１０６の近似のレムニスケート形状は、第１のコプレーナ導波路１１２と第２のコプレーナ導波路１２２とが交差する位置のまわりに配置された２つのローブ、すなわち、コプレーナ導波路が交差する位置を基準にして左下象限に位置する第１のローブと、コプレーナ導波路が交差する位置を基準にして右上象限に位置する第２のローブとを含む。第１のローブおよび第２のローブの各々は、コプレーナ導波路と平行に延びる超伝導トレースの細長い直線部分を含む。例えば、第１のローブは、第１のコプレーナ導波路１１２と並行して延びる超伝導トレースの第１の細長い部分１９１と、第２のコプレーナ導波路１２２と並行して延びる超伝導トレースの第２の細長い部分１９３とを含む。第２のローブは、第１のコプレーナ導波路１１２と並行して延びる超伝導トレースの第１の細長い部分１９５と、第２のコプレーナ導波路１２２と並行して延びる超伝導トレースの第２の細長い部分１９７とを含む。コプレーナ導波路と平行に延びることによって、各ローブのキュービットカプラ要素１０６の細長い部分は、導波路に磁気的に結合することができる。

図１Ａ〜図１Ｂに示したアーキテクチャの第１のキュービット１０２と第２のキュービット１０４との間の結合は、例えば相互インダクタンスＭに関して、
Ｍ_{ｔｏｔａｌ}（キュービット_１−キュービット_２）＝Ｍ（キュービット_１−カプラ−キュービット_２）＋Ｍ（キュービット_１−キュービット_２）（１）
として表すことができる。ここで、式（１）の右辺の第１項のＭ（キュービット_１−カプラ−キュービット_２）は、キュービットカプラ要素１０６によって仲介されるキュービット間結合インダクタンスを表し、キュービット間結合インダクタンスは、ジョセフソン接合（例えば、単一ジョセフソン接合または多重ジョセフソン接合）がカプラループ中にある場合調整可能とすることができる。式（１）の右辺の第２項のＭ（キュービット_１−キュービット_２）は、キュービットカプラ要素の援助なしでの第１のキュービット１０２と第２のキュービット１０４との間の直接キュービット−キュービット結合インダクタンスを表す。量子アニーリングのために、Ｍ（キュービット_１−キュービット_２）と比べてＭ（キュービット_１−カプラ−キュービット_２）を増加させることによって達成され得る強くて調整可能なキュービット−キュービット結合を用意することが好ましい。調整可能カプラ設計の追加の議論は、例えば、その全体が参照により本明細書に組み込まれるＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ８０巻、０５２５０６（２００９）に見いだすことができる。

キュービットカプラ要素によって仲介されるキュービット間結合インダクタンスのＭ（キュービット_１−カプラ−キュービット_２）は、
Ｍ（キュービット_１−カプラ−キュービット_２）＝［Ｍ（キュービット_１−カプラ）×Ｍ（カプラ−キュービット_２）］／Ｌ（カプラ）（２）
としてさらに表すことができ、ここで、Ｌ（カプラ）はカプラ自己インダクタンスを表し、Ｍ（キュービット_１−カプラ）は、第１のキュービット１０２とキュービットカプラ要素１０６との相互インダクタンスを表し、Ｍ（カプラ−キュービット_２）は、第２のキュービット１０４とキュービットカプラ要素１０６との相互インダクタンスを表す。それゆえに、キュービットカプラ要素によって仲介されるキュービット−キュービット結合の増加は、第１のキュービット１０２とキュービットカプラ要素１０６との間および第２のキュービット１０４とキュービットカプラ要素１０６との間の結合の相互インダクタンスの増加を必要とする。図１に示したキュービット結合アーキテクチャは、本明細書で説明するように、そのような相互インダクタンスを増加させるための例示の構成を提供する。

図３は、第１のキュービットと第２のキュービットとの間の交差点のまわりの異なる領域におけるカプラ電流流れに関して生じる相互インダクタンスの符号（正または負）の一例を示す概略図である。水平ライン３００は、第１のキュービットのコプレーナ導波路を表し、一方、垂直ライン３０２は、第１のキュービットが交差する第２のキュービットのコプレーナ導波路を表す。正方形３０４ａ〜３０４ｄは、第１のキュービットコプレーナ導波路が第２のキュービットコプレーナ導波路と交差する位置のまわりに配置され得る異なるカプラ電流経路を表す。カプラ電流経路３０４ａ〜３０４ｄは、それぞれ、象限Ｉ〜ＩＶに位置すると理解することができる。本明細書で提供する説明では、電流Ｉ_１は第１のキュービットのコプレーナ導波路３００を通って左から右に流れ、電流Ｉ_２は第２のキュービットのコプレーナ導波路３０２を通って下から上に流れると仮定されている。電流が各導波路を通って前述の方向に流れることにより、第１のキュービットからの発生磁束は、上の２つの象限（すなわち、カプラ経路３０４ａおよびカプラ経路３０４ｂが位置する象限）ではページの面から外に出ており、下の２つの象限（すなわち、カプラ経路３０４ｃおよびカプラ経路３０４ｄが位置する象限）ではページの面に入ることになる。同様に、第２のキュービットからの発生磁束は、左の２つの象限（すなわち、カプラ経路３０４ａおよびカプラ経路３０４ｄが位置する象限）ではページの面から外に出ており、右の２つの象限（すなわち、カプラ経路３０４ｂおよびカプラ経路３０４ｃが位置する象限）ではページの面に入ることになる。

したがって、電流Ｉｃが、図３に示すように、左回り方向にカプラ経路３０４ａ〜３０４ｄの各々を通って流れる場合、キュービット−カプラ相互インダクタンスの符号は直接隣接する象限の間で異なることになる。例えば、図３に示すように、象限Ｉにあるカプラと、第１のキュービットまたは第２のキュービットとの間の相互インダクタンスは正になることになる。しかしながら、象限ＩＩにあるカプラと第２のキュービットとの間の相互インダクタンスは負になることになる。同様に、象限ＩＩＩにあるカプラと第１のキュービットとの間の相互インダクタンスは、やはり、負になることになる。隣接するカプラによる相互インダクタンスの符号が異なるために、キュービットとキュービット結合要素との間の結合は事実上打ち消し合う。さらに、カプラ電流経路３０４ａ〜３０４ｄの各々を通って流れる電流Ｉｃが逆転される（例えば、右回り方向に）場合でさえ、各象限内の相互インダクタンスの符号が反転し、その結果、キュービットとキュービットカプラ要素との間の結合は依然として打ち消し合うことになる。

キュービットとキュービット結合要素との間の結合を弱め合うように打ち消し合うのを防止するために、キュービットカプラ要素は、図１Ｂに示したように、第１のキュービットのコプレーナ導波路が第２のキュービットのコプレーナ導波路と交差する位置のまわりの２つの対角象限にまたがるグラジオメータの形状（概略レムニスケートまたは「８の字」形状とも呼ばれる）を有するように形成することができる。この構造により、電流は、一般に、１つの象限では１つの方向に（例えば、左回りに）、および第２の対角象限では第２の反対方向（例えば、右回りに）流れる。異なる電流経路は、打ち消し合うのではなく強化する相互インダクタンス符号をもたらす。

図４は、図１Ｂに示したグラジオメータ設計などのレイアウトを有するカプラを使用するカプラ電流流れに関して生じる相互インダクタンスの符号（正または負）の一例を示す概略図である。図３に示した構造と同様に、水平ライン３００は、第１のキュービットの第１のコプレーナ導波路を表し、垂直ライン３０２は、第１のキュービットが交差する第２のキュービットの第２のコプレーナ導波路を表し、ループ４００は、第１のキュービットコプレーナ導波路３００が第２のキュービットコプレーナ導波路３０２と交差する位置のまわりに配置され得るキュービットカプラ要素電流経路を表す。図４に示すように、キュービットカプラ電流経路４００は象限ＩＩと象限ＩＶの両方に重なり、その結果、第１のローブ４０２および第２のローブ４０４は、第２のコプレーナ導波路と第１のコプレーナ導波路とが交差する位置のまわりで互いに対して対角線状に配置される（例えば、ループの第１のローブ４０２は象限ＩＩに位置し、ループの第２のローブ４０４は象限ＩＶに位置する）。図３に示した電流の経路とは対照的に、電流経路４００は単一のループである。キュービットカプラ電流経路４００の物理的実施態様は、第１のコプレーナ導波路と第２のコプレーナ導波路とを横切るキュービットカプラ要素を有することになり、例えば、キュービットカプラ要素は、図１Ｂのキュービットカプラ要素１０６と同様に多数の異なる場所で第１のキュービットおよび第２のキュービットを横切る。

図４に示すように、カプラ電流Ｉｃは、象限ＩＶの第２のローブ４０４内で全体的に左回り方向に進むが、電流が象限ＩＩの第１のローブ４０２へと横切った後、電流Ｉｃは全体的に右回り方向に進む。カプラを循環する電流は、キュービットのうちの１つによって誘起される。例えば、第１のキュービットに流れる電流がある場合、磁束がカプラ中に誘起され、この磁束は、次には、カプラに循環電流を誘起し、その大きさはＳＱＵＩＤＩｃによって制御される。次に、カプラの循環電流は、第２のキュービット中に磁束を誘起することになる。したがって、キュービット−キュービット結合がカプラ要素によって仲介され得る。その上、象限ＩＩと象限ＩＶの両方におけるキュービットカプラ要素と第１のキュービットとの間の相互インダクタンスの符号４０６は、負であり、したがって、第１のキュービットとキュービットカプラ要素との間の結合を積極的に強化することになる。同様に、象限ＩＩと象限ＩＶの両方におけるキュービットカプラ要素と第２のキュービットとの間の相互インダクタンスの符号４０８は、正であり、したがって、第２のキュービットとキュービットカプラ要素との間の結合を積極的に強化することになる。したがって、図４に示した電流経路を有する調整可能キュービットカプラ要素１０６の利点は、第１のキュービットとキュービットカプラ要素とに関連する相互インダクタンス（Ｍ（キュービット_１−カプラ））ならびに第２のキュービットとキュービットカプラ要素とに関連する相互インダクタンス（Ｍ（カプラ−キュービット_２））を増加させることができることである。

ローブ４０４では左回り方向におよびローブ４０２では右回り方向に進むカプラ電流Ｉｃが図４には示されているが、逆のことをキュービットカプラ要素４００内で実施することもできる。すなわち、電流は、ローブ４０２では左回りにおよびローブ４０４では右回りに進むようにループ４００に導入することができる。この代替実施態様では、カプラとキュービットとの間の結合の積極的強化が依然として達成され得るが、図４に示したような相互インダクタンスの符号は反転することになる。

図４に示され、図２の例で実施されたカプラループ４００は、単一のトレースとして形成され、ループ４００はそれ自体を横切って概略レムニスケート形状を形成する。いくつかの実施態様では、２つの別個のカプラループが、単一のカプラループの代わりに使用され得る。例えば、第１のカプラループは象限ＩＶに位置付けることができ、第２のカプラループは象限ＩＩに位置付けることができる。しかしながら、第１のカプラループおよび第２のカプラループの各々に所望の右回りまたは左回りの方向のカプラ電流を供給するには、ループごとに別個の制御要素が必要とされることになり、それは、必要とされる制御配線の量を増加させる。したがって、概略レムニスケート形状を確立するためにそれ自体を横切る単一のループを使用する利点は、単一のループのための制御要素しか必要とされないことである。

キュービットカプラループ４００は、それぞれ、象限ＩＩおよび象限ＩＶに第１のローブ４０２および第２のローブ４０４を有するように示されている。代替として、実施態様によっては、キュービットカプラループ４００は、代わりにローブが象限Ｉおよび象限ＩＩＩにあるように配置されてもよい。各ローブ内のカプラ電流Ｉｃの全体的な方向が、他のローブのカプラ電流方向の全体的な方向と反対である限り、相互インダクタンスの積極的な強化が生じ得る。

本明細書で説明するように、キュービットカプラ要素は、キュービットカプラ要素インダクタンス（Ｍ（キュービット_１−カプラ−キュービット_２））が仲介するのでキュービット間結合を増加させる。式（１）の全相互インダクタンスのＭ_{ｔｏｔａｌ}（キュービット_１−キュービット_２）をさらに増加させるために、直接キュービット間結合のＭ（キュービット_１−キュービット_２）を低減させることができる。直接キュービット間結合を低減するための手法は、第１のキュービットコプレーナ導波路と第２のキュービットコプレーナ導波路とが交差する位置のまわりに位置する象限に対称的な接地面間隙領域を導入することである。接地面間隙領域が交差点のまわりの各象限に対称的に導入されると、第１のキュービットおよび第２のキュービットは、同じ大きさであるが反対の符号をもつ相互インダクタンスを有し、したがって、２つのキュービット間に正味ゼロ相互または直接インダクタンスをもたらすことになる。

図５は、キュービット交差点のまわりの象限に接地面間隙領域を導入した量子計算プロセッサのためのキュービット結合アーキテクチャ５００の一例の上面図を示す概略図である。アーキテクチャ５００は、第１のコプレーナ導波路１１２と第２のコプレーナ導波路１２２とが交差する位置のまわりに多数の領域５０２が配置されていることを除いて、図１Ｂに示したアーキテクチャ１００と同一である。領域５０２は、下にある基板が露出された（例えば、接地面が完全に除去された）区域を含む。したがって、キュービットコプレーナ導波路が交差する位置を囲む象限Ｉ〜ＩＶの各々において、第１のコプレーナ導波路と第２のコプレーナ導波路との間に位置付けられた超伝導材料はほとんどない（キュービットカプラ要素１０６およびエアブリッジ交差を除いて）。領域５０２は、第１のキュービットと第２のキュービットとの間の交差点のまわりに対称的に配置されるような大きさを有し、第１のキュービットと第２のキュービットとの間の交差点のまわりに対称的に配置されるように配置される。その結果として、いくつかの実施態様では、アーキテクチャ５００において正味実質的にゼロの直接キュービット間結合を達成することができる。いくつかの実施態様では、キュービットカプラ要素の第１のローブおよび第２のローブの各々は、対応する間隙領域５０２を取り囲む。いくつかの実施態様では、各間隙領域５０２はほぼ同じ面積を有する。例えば、図５に示した各間隙領域５０２はほぼ同じ面積であり、キュービットカプラ要素１０６を形成する超伝導トレースの存在による面積の差はわずかである。

しかしながら、場合によっては、図５に示したアーキテクチャ５００は、さらに、重要なクロストークに関連する。クロストークは、例えば、接地面のエッジに沿って流れるおよびキュービットカプラ要素のＳＱＵＩＤ中に流れるリターン電流から生じることがある。代替として、または加えて、バイアス電流およびキュービット電流は、接地面のエッジ、カプラＳＱＵＩＤループ、および交差ブリッジなどの多数の場所の電流経路を共有することがあり、それは、クロストークの一因となることがある。

クロストークを低減するために、第１のコプレーナ導波路と第２のコプレーナ導波路とが交差する位置のまわりの領域５０２の１つまたは複数に接地パッドを設けることができる。接地パッドがあると、リターン電流が進むことができる代替の電流経路が設けられ、それにより、リターン電流がキュービットカプラＳＱＵＩＤから離れたところに導かれる。接地パッドを含むアーキテクチャの一例が図６に示される。

図６は、量子計算プロセッサのためのキュービット結合アーキテクチャ６００の一例の上面図を示す概略図である。アーキテクチャ６００は、図１Ｂに示したアーキテクチャ１００と同一である。特に、キュービット結合アーキテクチャ６００は、第２のキュービットの第２のコプレーナ導波路１２２、キュービットカプラ要素１０６、および多数のエアブリッジ交差要素と交差する第１のキュービットの第１のコプレーナ導波路１１２を含む。アーキテクチャ６００は、多数の超伝導接地パッド６０２をさらに含む。超伝導接地パッド６０２は、アルミニウムまたはニオビウムなどの超伝導材料から形成され、第１の導波路１１２と第２の導波路１２２とが交差する位置のまわりの１つまたは複数の象限に配置される。２×２アレイに配置された４つの接地パッド６０２が、図６に示した例では設けられている。他の数の接地パッドを設けてもよい。例えば、実施態様によっては、単一の接地パッド６０２が設けられる（例えば、導波路が交差する位置のまわりの第１象限から第４象限のうちの１つに）。代替として、実施態様によっては、２つまたは３つの接地パッドが設けられる。（例えば、各々は、導波路が交差する位置のまわりの第１象限から第４象限のうちの１つにある）。

多数の超伝導エアブリッジ構造６０４、６０６を除いて、各接地パッド６０２は、接地面１０８から、ならびに第１のキュービットおよび第２のキュービットから物理的に分離される。各超伝導エアブリッジ構造６０４、６０６は、アルミニウムまたはニオビウムなどの超伝導材料から形成され、接地面１０８と、対応する接地パッド６０２との間の直接電気接続（例えば、図６の構造６０４）、または隣接する接地パッド６０２間の直接電気接続（例えば、図６の構造６０６）を確立する。すなわち、接地パッド６０２ごとに、少なくとも１つの超伝導エアブリッジ６０４が、接地パッド６０２を接地面１０８に接続する。超伝導エアブリッジ６０４は、接地パッド６０２の対応側のほぼ中央で接地パッド６０２に接続することができる。追加として、接地パッド６０２ごとに、少なくとも１つの超伝導エアブリッジ構造６０６が、接地パッド６０２を隣接する接地パッド６０２に接続する。エアブリッジ構造６０６とコプレーナ導波路１１２、１２２との間の空隙が、電気接触を防止する。場合によっては、接地パッド６０２は、キュービットカプラ要素１０６のローブ内に位置付けられる。例えば、図６に示すように、左下象限（象限ＩＶ）の接地パッド６０２はキュービットカプラ要素１０６の第１のローブ内に位置し、一方、右上象限（象限ＩＩ）の接地パッド６０２はキュービットカプラ要素１０６の第２のローブ内に位置する。

超伝導エアブリッジ構造６０４、６０６を通る電流経路長は、接地面のエッジに沿った電流経路長と比べて短い。その結果として、エアブリッジ交差構造６０４、６０６は、接地面１０８のエッジに沿って流れるリターン電流のためのより低いインピーダンスおよび好ましい代替経路を示す。したがって、リターン電流はキュービットカプラ要素のＳＱＵＩＤから離れたところに実質的に方向を変えることができ、それにより、クロストークの低減がもたらされる。

代替として、または加えて、クロストークは、カプラバイアス源、例えば、ＳＱＵＩＤバイアス源およびカプラ傾斜バイアス源のより近くにあるキュービット−カプラアーキテクチャの領域を横切る超伝導エアブリッジ構造を設けることによって低減することができる。例えば、キュービットカプラ傾斜バイアスラインを横切る、および／またはキュービットカプラＳＱＵＩＤバイアスラインを横切る超伝導エアブリッジ構造を設けることができる。そのような構成の例が図７Ａ〜図７Ｂに示される。バイアスラインの上に置かれた交差を主として使用してバイアス電流の流れの方向を変え、それにより、バイアス電流が接地面のエッジに進まないようにする。

図７Ａは、図１Ｂ内の領域２０の拡大図を示す概略図である。領域２０は、キュービットカプラ要素１０６（例えば、キュービットカプラ要素１０６の第２のローブ）が傾斜バイアスライン７００に結合する区域をカバーする。傾斜バイアスライン７００は傾斜バイアス源１７２に結合する（図１を参照）。図７Ａに示した例では、傾斜バイアスライン７００は第１の部分７０２と第２の部分７０４とを含む。第１の部分７０２は、接地面１０８に直接電気的に結合されるフックまたは部分的ループ領域７０６を第１の端部に形成する細長い超伝導トレースを含む。第１の部分７０２の第２の端部は傾斜バイアス源に結合することができる。第２の部分７０４は、第１の部分７０２のループ領域７０６に磁気的に結合するためのループ７０８をさらに形成する別の細長い超伝導トレースを含む。第２の部分７０４を形成する細長い超伝導トレースの端部は、キュービットカプラ要素１０６に直接電気的に結合される（例えば、キュービットカプラ要素の第２のローブに結合される）。図７Ａに示すように、第２の部分７０４はキュービットカプラ要素１０６と直列に結合される。いくつかの実施態様では、超伝導エアブリッジ構造７１０は、接地面１０８と接触することなく第２の部分７０４をキュービットカプラ要素に直接電気的に結合させるために設けられる。

図７Ａに示すように、超伝導接地面１０８は、傾斜バイアスライン７００の両側に位置し、間隙によって傾斜バイアスライン７００から分離される。例えば、接地面１０８の第１の部分は傾斜バイアスライン７００の第１の側に隣接することができ、一方、接地面１０８の第２の部分は第１の側とは反対側の傾斜バイアスライン７００の第２の側に隣接することができる。接地面１０８の対置する部分を直接電気的に結合させるために、傾斜バイアスライン７００の第１の部分７０２と第２の部分７０４の両方を横切る１つまたは複数の追加の超伝導エアブリッジ構造７１２を設けることができる。超伝導エアブリッジ構造７１２があると、接地面１０８のエッジに沿って進むリターン電流が通過できる代替の電流経路が設けられる。超伝導エアブリッジ構造７１２を通る電流経路長は、接地面１０８のエッジに沿った電流経路長と比べて短い。その結果として、エアブリッジ交差構造７１２は、接地面１０８のエッジに沿って流れるリターン電流のためのより低いインピーダンスおよび好ましい代替経路を示す。したがって、リターン電流はキュービットカプラ要素１０６から離れたところに実質的に方向を変えることができ、それにより、クロストークの低減がもたらされる。

図７Ｂは、図１Ｂ内の領域３０の拡大図を示す概略図である。領域３０は、キュービットカプラ要素１０６（例えば、キュービットカプラ要素１０６の第１のローブ）がＳＱＵＩＤバイアスライン７５０に結合する区域をカバーする。ＳＱＵＩＤバイアスライン７５０は、カプラＳＱＵＩＤバイアス源１７０（図１を参照）と、キュービットカプラ要素１０６のＳＱＵＩＤ１６０とに結合する。特に、ＳＱＵＩＤバイアスライン７５０は、ＳＱＵＩＤ１６０に磁気的に結合するために１つの端部にループを形成する。図７Ｂに示した例では、ＳＱＵＩＤ１６０は、次には、細長い超伝導トレース７５２を通してキュービットカプラ要素１０６の第１のローブに直接電気的に結合される。

ＳＱＵＩＤ１６０に結合された細長い超伝導トレース７５２（および／またはＳＱＵＩＤバイアスライン７５０）を横切る１つまたは複数の超伝導エアブリッジ構造７５４を設けることができる。各超伝導エアブリッジ７５４の第１の端部は、トレース７５２の第１の側の接地面１０８に接続され、各超伝導エアブリッジ７５４の第２の端部は、第１の側とは反対側のトレース７５２の第２の側の接地面１０８に接続される。超伝導エアブリッジ構造７５４があると、接地面１０８のエッジに沿って進むリターン電流が通過できる代替の電流経路が設けられる。超伝導エアブリッジ構造７５４を通る電流経路長は、接地面１０８のエッジに沿った電流経路長と比べて短い。その結果として、エアブリッジ交差構造７５４は、接地面１０８のエッジに沿って流れるリターン電流のためのより低いインピーダンスおよび好ましい代替経路を示す。したがって、リターン電流はキュービットカプラ要素１０６およびＳＱＵＩＤ１６０から離れたところに実質的に方向を変えることができ、それにより、クロストークの低減がもたらされる。

接地パッドと超伝導エアブリッジ交差構造との組合せはクロストークを低減することができるが、接地パッドを形成する超伝導材料が第１のキュービットのコプレーナ導波路と第２のキュービットのコプレーナ導波路との間の領域の大部分を満たすとすれば、接地パッド、例えば図６の接地パッド６０２の存在は、さらに、全キュービット間結合の強度を低減することがある。

いくつかの実施態様では、超伝導接地パッドを除去し、交差構造を含むカプラ制御要素を第２の別個のチップに移動することによって低いレベルのクロストークを維持しながら全キュービット間結合の強度を改善することが可能である。次いで、第２の別個のチップは、キュービットとキュービットカプラ要素とを有する第１のチップに接合することができる。両方のチップは別個の専用の接地面を有することになるので、キュービット間のクロストークは、いくつかの実施態様では、さらにもっと低減され得る。

前述の構造の一例が図８に示されている。図８は、第２のチップ８０２に接合された第１のチップ８００を含む量子プロセッサの側面図を示す概略図である。第１のチップ８００は、シリコンまたはサファイアなどの誘電体基板を含むことができ、その上に多数のキュービットおよびキュービットカプラ要素が配置される。キュービットは、例えば、図１Ａに示したように配置されたフラックスモンキュービットを含むことができる。同様に、キュービットは、キュービットカプラ要素１０６などのキュービットカプラ要素を使用して一緒に結合され得る。例えば、第１のチップ８００は、図１Ａに示したように、第１のキュービット１０２と、第２のキュービット１０４と、キュービットカプラ要素１０６とを含むことができる。第１のチップ８００のキュービットカプラ要素は、本明細書で説明するように構成することができる。例えば、キュービットカプラ要素は、第１のキュービットの第１のコプレーナ導波路と第２のキュービットの第２のコプレーナ導波路とが交差する位置のまわりに位置する２つのローブを有するループで配置することができる。第１のチップ８００の各キュービットカプラ要素は、さらに、傾斜バイアスライン（例えば、バイアスライン７００など）と、ＳＱＵＩＤバイアスライン（例えば、ライン７５０など）と、キュービットカプラ要素をバイアスラインに接続する細長いトレース（例えば、ライン７５２など）とを含むことができる。本明細書で説明するように、傾斜バイアスラインはキュービットカプラ要素の第２のローブに接続することができ、ＳＱＵＩＤバイアスラインはキュービットカプラ要素の第１のローブに接続することができる。第１のチップ８００は、第１の超伝導接地面をさらに含むことができる。本明細書で説明するように、接地面の第１の部分は傾斜バイアスラインの第１の側に隣接することができ、接地面の第２の部分は、第１の側とは反対側の傾斜バイアスラインの第２の側に隣接することができる。

第２のチップ８０２は、さらに、シリコンまたはサファイアなどの誘電体基板を含むことができる。第２のチップ８０２は、さらに、第２の超伝導接地面を含むことができる。いくつかの実施態様では、第２のチップ８０２は、さらに、バイアスラインなどの構造（例えば、数ある構造および制御要素の中で特に、ＳＱＵＩＤバイアスライン、傾斜バイアスライン、キュービット測定共振器、マイクロ波ライン）を形成する超伝導トレースを含むことができる。トレースおよび接地面を形成する超伝導材料は、例えば、アルミニウムおよび／またはニオビウムを含むことができる。第２のチップ８０２と第１のチップ８００とは、例えば、フリップチップボンディングを使用して一緒に接合することができ、超伝導バンプ接合部８０４（例えば、インジウムバンプ接合部）は接合材料を含む。

いくつかの実施態様では、超伝導バンプ接合部８０４は、第１のチップ８００から第２のチップ８０２への直接電気接続を行う。例えば、いくつかの実施態様では、超伝導バンプ接合部８０４は、第１のチップ８００の超伝導材料と第２のチップ８０２の超伝導材料との間の直接電気接続を行う。例えば、超伝導バンプ接合部８０４は、第１のチップ８００の超伝導接地面と第２のチップ８０２の超伝導接地面との間の直接電気接続を行う。このようにして、超伝導バンプ接合部８０４は、第１のチップ８００のリターン電流を第２のチップの超伝導接地面へと方向を変える代替の電流経路を形成することができる。第１のチップ８００からのリターン電流を取り出し、それを第２のチップへと方向を変えることによって、クロストークをさらに低減させることができる。

いくつかの実施態様では、第２のチップ８０２の超伝導トレースと共に超伝導バンプ接合部８０４は交差ブリッジとして機能して、エアブリッジ構造の必要性に取って代わることができる。例えば、普通なら図７Ａの構造７１２または図７Ｂの構造７５４などの超伝導エアブリッジ構造を通って流れる電流は、代わりに、第１のチップ８００の接地面の第１の部分から第１の超伝導バンプ接合部８０４通って、第２のチップ８０２に形成された超伝導トレースまで進み、そして第２の超伝導バンプ接合部８０４を通って第１のチップ８００の接地面の第２の部分に戻ることができる。そのような実施態様では、第１の基板の傾斜バイアスラインまたはＳＱＵＩＤバイアスラインの一部を横切る第２のチップ８０２の超伝導トレースは、電磁結合を避けるために、第１のチップの傾斜バイアスラインまたはＳＱＵＩＤバイアスラインの一部を通る電流流れの方向と直交する方向に伸ばされるべきである。それに応じて、いくつかの実施態様では、量子プロセッサ製造プロセスを簡単化することができる。

図９は、量子プロセッサのためのキュービット結合アーキテクチャ９００を含む第１のチップの一例を示す写真である。図９に示されたアーキテクチャ９００は、キュービットカプラ要素のバイアスラインを横切る超伝導エアブリッジ構造が第１のチップから取り除かれていることを除いて、図５に示したアーキテクチャ５００と同様である。超伝導エアブリッジ構造の場所に、バンプ接合パッド９０２が位置する。デバイスを完成させるために、１つまたは複数の超伝導トレースを有する第２のチップ（チップ８０２など）を図９に示したチップに接合して、キュービットカプラバイアスラインの上に代替の電流経路を設けることができ、それにより、デバイスクロストークが低減される。

本明細書で説明した量子素材および量子動作の実施態様は、本明細書で開示する構造およびその構造均等物を含むまたはそれらのうちの１つまたは複数の組合せでの好適な量子回路、または、より一般的には、量子計算システムに実装することができる。「量子計算システム」という用語は、限定はしないが、量子コンピュータ、量子情報処理システム、量子暗号システム、トポロジカル量子コンピュータ、または量子シミュレータを含むことができる。

量子情報および量子データという用語は、量子系によって搬送される、量子系に保持される、または量子系に記憶される情報またはデータを指し、最も小さい重要な系は、キュービット、例えば、量子情報の単位を定義する系である。「キュービット」という用語は、対応する文脈において２準位系として適切に近似することができるすべての量子系を包含することが理解されよう。そのような量子系は、例えば２つ以上の準位をもつ多準位系を含むことができる。例として、そのような系は、原子、電子、光子、イオン、または超伝導キュービットを含むことができる。いくつかの実施態様では、計算基礎状態は、基底状態および第一励起状態により識別されるが、しかしながら、計算状態が、より高い準位の励起状態により識別される他の機構が可能であることが理解されよう。量子メモリは、高い忠実度および効率で長い間量子データを格納することができるデバイス、例えば、光−物質インタフェースであり、ここで、光は、重ね合せまたは量子コヒーレンスなどの量子データの量子特徴を送出するために使用され、物質は、重ね合せまたは量子コヒーレンスなどの量子データの量子特徴を格納および維持するために使用されることが理解されよう。

量子回路要素（量子計算回路要素とも呼ばれる）は、量子処理動作を実行するための回路要素を含む。すなわち、量子回路要素は、非決定論的方法でデータに演算を実行するために、重ね合せおよびもつれなどの量子力学現象を利用するように構成される。キュービットなどのいくつかの量子回路要素は、１つを超える状態の情報を同時に表し処理するように構成することができる。超伝導量子回路要素の例には、とりわけ、量子ＬＣ発振器などの回路要素と、キュービット（例えば、磁束キュービット、位相キュービット、または電荷キュービット）と、超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）（例えば、ＲＦ−ＳＱＵＩＤまたはＤＣ−ＳＱＵＩＤ）が含まれる。

対照的に、従来の回路要素は、一般に、決定論的方法でデータを処理する。従来の回路要素は、基本算術演算、論理演算、および／または入力／出力演算をデータに実行することによってコンピュータプログラムの命令を集合的に実行するように構成することができ、データはアナログ形式またはデジタル形式で表される。いくつかの実施態様では、従来の回路要素は、電気または電磁気接続を介してデータを量子回路要素に送出する、および／または量子回路要素から受け取るために使用することができる。従来の回路要素の例には、ＣＭＯＳ回路と、高速単一磁束量子（ＲＳＦＱ）デバイスと、レシプロカル量子論理（ＲＱＬ）デバイスと、バイアス抵抗器を使用しないＲＳＦＱのエネルギー効率の良いバージョンであるＥＲＳＦＱデバイスとに基づく回路要素が含まれる。

本明細書で説明した量子回路要素および従来の回路要素の製作は、超伝導体、誘電体、および／または金属などの１つまたは複数の材料の堆積を必要とすることがある。選択された材料に応じて、これらの材料は、数ある堆積プロセスの中で特に、化学気相堆積、物理気相堆積（例えば、蒸着またはスパッタリング）、またはエピタキシャル技法などの堆積プロセスを使用して堆積させることができる。本明細書で説明した回路要素を製作するプロセスは、製作中にデバイスから１つまたは複数の材料を除去することを必要とすることがある。除去されるべき材料に応じて、除去プロセスは、例えば、ウェットエッチング技法、ドライエッチング技法、またはリフトオフプロセスを含むことができる。本明細書で説明した回路要素を形成する材料は、既知のリソグラフィの技法（例えば、フォトリトグラフィまたは電子ビームリソグラフィ）を使用してパターン形成することができる。

本明細書で説明した回路要素などの超伝導量子回路要素および／または超伝導従来の回路要素を使用する量子計算システムの動作の間、超伝導回路要素は、超伝導体材料が超伝導特性を示すことができる温度までクライオスタット内で冷却される。超伝導体（あるいは超伝導）材料は、超伝導臨界温度以下で超伝導特性を示す材料として理解することができる。超伝導材料の例には、アルミニウム（１．２ケルビンの超伝導臨界温度）とニオビウム（９．３ケルビンの超伝導臨界温度）とが含まれる。したがって、超伝導トレースおよび超伝導接地面などの超伝導構造は、超伝導臨界温度以下で超伝導特性を示す材料から形成される。

本明細書は多くの特定の実施詳細を含んでいるが、これらは、特許請求することができるものの範囲への限定として解釈されるべきではなく、むしろ、特定の実施態様に特有であり得る特徴の説明として解釈されるべきである。別個の実施態様との関連で本明細書において説明されているいくつかの特徴は、単一の実施態様において組合せで実施することもできる。逆に、単一の実施態様との関連で説明されている様々な特徴は、多数の実施態様で別々にまたはすべての好適な部分組合せで実施することもできる。その上、特徴はいくつかの組合せで働くとして上述され、さらに当初はそれ自体特許請求されることがあるが、特許請求された組合せからの１つまたは複数の特徴は場合によっては組合せから削除され得、特許請求された組合せは、部分組合せまたは部分組合せの変形を対象とし得る。

同様に、動作が特定の順序で図面に示されているが、これは、望ましい結果を達成するために、そのような動作が図示された特定の順序でまたはシーケンシャルな順序で実行されること、あるいはすべての図示された動作が実行されることを要求しているとして理解されるべきではない。例えば、特許請求の範囲に列挙されるアクションは、異なる順序で実行され、望ましい結果を依然として達成することができる。いくつかの状況では、マルチタスクおよび並列処理が有利であり得る。その上、上述の実施態様における様々な構成要素の分離は、すべての実施態様においてそのような分離を必要としているとして理解されるべきでない。

いくつかの実施態様が説明された。それにもかかわらず、様々な変更が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく行われ得ることが理解されよう。したがって、他の実施態様は以下の特許請求の範囲の範囲内にある。

１０領域
２０領域
３０領域
１００キュービット結合アーキテクチャ
１０２第１のキュービット
１０４第２のキュービット
１０６キュービットカプラ要素
１０８接地面
１１０第１のＳＱＵＩＤ
１１２第１のコプレーナ導波路
１１４第１のコプレーナ導波路の第２の端部
１２０第２のＳＱＵＩＤ
１２２第２のコプレーナ導波路
１２４第２のコプレーナ導波路の第２の端部
１４０第１のＳＱＵＩＤバイアス制御要素
１４２第１の傾斜バイアス制御要素
１５０第２のＳＱＵＩＤバイアス制御要素
１５２第２の傾斜バイアス制御要素
１６０キュービットカプラ要素のＳＱＵＩＤ、カプラＳＱＵＩＤ要素
１７０カプラＳＱＵＩＤバイアス制御要素、カプラＳＱＵＩＤバイアス源
１７２カプラ傾斜バイアス制御要素、傾斜バイアス源
１８０第１の超伝導エアブリッジ構造
１８２超伝導エアブリッジ
１８４超伝導エアブリッジ
１８６超伝導エアブリッジ
１９１超伝導トレースの第１の細長い部分
１９３超伝導トレースの第２の細長い部分
１９５超伝導トレースの第１の細長い部分
１９７超伝導トレースの第２の細長い部分
２０２第１のキャパシタ
２０４第１のインダクタ
２０６第２のキャパシタ
２０８第２のインダクタ
２１０第１のインダクタ
２１２第２のインダクタ
２１４接地
３００水平ライン、第１のキュービットのコプレーナ導波路
３０２垂直ライン、第２のキュービットのコプレーナ導波路
３０４ａ〜３０４ｄ正方形、カプラ電流経路、カプラ経路
４００キュービットカプラ電流経路、ループ
４０２第１のローブ
４０４第２のローブ
４０６相互インダクタンスの符号
４０８相互インダクタンスの符号
５００キュービット結合アーキテクチャ
５０２領域、間隙領域
６００キュービット結合アーキテクチャ
６０２超伝導接地パッド
６０４、６０６超伝導エアブリッジ構造、エアブリッジ交差構造
７００傾斜バイアスライン
７０２第１の部分
７０４第２の部分
７０６フックまたは部分的ループ領域
７０８ループ
７１０超伝導エアブリッジ構造
７１２超伝導エアブリッジ構造
７５０ＳＱＵＩＤバイアスライン
７５２細長い超伝導トレース
７５４超伝導エアブリッジ構造
８００第１のチップ
８０２第２のチップ
８０４超伝導バンプ接合部
９００キュービット結合アーキテクチャ
９０２バンプ接合パッド

Claims

第１のキュービットと、
第２のキュービットと、
第１のローブ及び第２のローブを有するループを備えるキュービットカプラと、を備えるデバイスであって、
前記ループの前記第１のローブと前記ループの前記第２のローブとのそれぞれが、前記第１のキュービット及び前記第２のキュービット間の結合を許容するように配置されている、デバイス。
前記ループが、レムニスケート形状である、請求項１に記載のデバイス。
前記キュービットカプラを調整するために前記キュービットカプラの前記第１のローブが第１のバイアス要素と結合されている、請求項１に記載のデバイス。
前記第１のバイアス要素が超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を備える、請求項３に記載のデバイス。
前記第１のバイアス要素の実効位相を変更するために、前記キュービットカプラの前記第２のローブが第２のバイアス要素に結合されている、請求項３に記載のデバイス。
前記第１のローブの一部が、前記第１のキュービットの第１の部分と、前記第２のキュービットの第１の部分とに隣接して延在し、
前記第２のローブの一部が、前記第１のキュービットの第２の部分と、前記第２のキュービットの第２の部分とに隣接して延在する、請求項１に記載のデバイス。
前記第１のキュービットの前記第１の部分と、前記第１のキュービットの前記第２の部分とがそれぞれ、前記第１のキュービットの細長いコプレーナ導波路の一部であり、
前記第２のキュービットの前記第１の部分と、前記第２のキュービットの前記第２の部分とがそれぞれ、前記第２のキュービットの細長いコプレーナ導波路の一部である、請求項６に記載のデバイス。
前記第１のキュービットの前記細長いコプレーナ導波路が、前記第２のキュービットの前記細長いコプレーナ導波路の上又は下を横切る、請求項７に記載のデバイス。
前記ループが、それ自体を横切るコプレーナ導波路を備える、請求項１に記載のデバイス。
前記ループの前記コプレーナ導波路がそれ自体を横切る位置の周りに設けられた複数の接地パッドを備える、請求項９に記載のデバイス。
前記複数の接地パッドの第１の接地パッドが前記第１のローブ内に設けられ、前記複数の接地パッドの第２の接地パッドが前記第２のローブ内に設けられている、請求項１０に記載のデバイス。
前記第１の接地パッドの周りに延在する間隙によって、前記第１の接地パッドが前記第１のローブから分離されており、
前記第２の接地パッドの周りに延在する間隙によって、前記第２の接地パッドが前記第２のローブから分離されている、請求項１１に記載のデバイス。
前記複数の接地パッドの第３の接地パッドが、前記第１のローブ及び前記第２のローブの外部に設けられており、
前記複数の接地パッドの第４の接地パッドが、前記第１のローブ及び前記第２のローブの外部に設けられている、請求項１１に記載のデバイス。
前記複数の接地パッドの各接地パッドに対して、前記接地パッドを接地面に接続する少なくとも一つのエアブリッジを備える、請求項１０に記載のデバイス。
前記複数の接地パッドの各接地パッドに対して、前記接地パッドを、前記複数の接地パッドの隣接する接地パッドに接続する少なくとも一つのエアブリッジを備える、請求項１０に記載のデバイス。
前記コプレーナ導波路が、前記第１のキュービットの一部と、前記第２のキュービットの一部とを横切る、請求項９に記載のデバイス。
前記第１のキュービット、前記第２のキュービット、及びキュービットカプラが配置された第１の基板と、
前記第１の基板に接合された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間の複数のバンプ接合部と、
を備える、請求項１に記載のデバイス。
前記第２の基板が、前記キュービットカプラの調整を制御するために少なくとも一つのカプラ制御要素を備える、請求項１７に記載のデバイス。
前記第一の基板上の接地面と、
前記第２の基板上の超伝導トレースであって、前記複数のバンプ接合部の第１のバンプ接合部が、前記接地面を前記超伝導トレースの第１の端部に接続し、前記複数のバンプ接合部の第２のバンプ接合部が、前記接地面を前記超伝導トレースの第２の端部に接続する、超伝導トレースと、
を備える、請求項１７に記載のデバイス。
前記第１の基板が、傾斜バイアスライン、ＳＱＵＩＤ、バイアスライン、又は、傾斜バイアスライン及びＳＱＵＩＤバイアスラインの両方を備え、
前記超伝導トレースが、前記傾斜バイアスラインの一部又は前記ＳＱＵＩＤバイアスラインの一部を横切る、請求項１９に記載のデバイス。