JP2019506734A - 遠隔キュービット間の調整可能なバス媒介結合 - Google Patents

Abstract

可変インダクタンス結合要素の第１の端部に第１の共振器を介して結合された第１の入力ポートと、可変インダクタンス結合要素の第２の端部に第２の共振器を介して結合された第２の入力ポートとを含む調整可能なバス媒介カプラーが設けられている。第１の入力ポートは、第１のキュービットに結合されるように構成され、第２の出力ポートは、第２のキュービットに結合されるように構成される。コントローラは、第１のキュービットと第２のキュービットとの間の強力な結合を提供する低インダクタンス状態と、第１のキュービットと第２のキュービットとの間の分離を提供する高インダクタンス状態との間で可変インダクタンス結合要素のインダクタンスを制御するように構成される。

Description

本発明は、概して超電導回路に関し、より詳細には、遠隔キュービット間の調整可能なバス媒介結合に関する。

量子計算およびシミュレーションの基本的な課題は、様々な処理を実行するために、高度に接続されたコヒーレントキュービットの大規模システムを構築することである。超電導キュービットは、量子情報を処理するためにマクロ回路を利用し、かつこの目的のための将来有望な候補である。最近、材料研究および回路の最適化は、キュービットコヒーレンス（ｑｕｂｉｔ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）の大幅な向上をもたらしている。超電導キュービットは、コヒーレンス時間内に何百もの演算を実行できるようになり、エラー訂正などの複雑なアルゴリズムの研究が可能となった。多くの適用では、コヒーレントな局所演算と動的に変化するキュービット相互作用との両方が可能となるので、これらの高コヒーレンスキュービットを、調整可能なキュービット間結合と組み合わせることが望ましい。量子計算では、単一のキュービットゲートに対する分離を提供すると同時に、デコヒーレンスによるエラーを最小化する高速の２個のキュービットゲートを可能にする。調整可能な結合におけるこれまでの試みにもかかわらず、これらの応用は、高コヒーレンスデバイスで調整可能な長距離結合を取り入れるという課題のために、現在のところ実現されていない。

一例では、第１の共振器を介して可変インダクタンス結合要素の第１の端部に結合された第１の入力ポートと、第２の共振器を介して可変インダクタンス結合要素の第２の端部に結合された第２の入力ポートとを含む調整可能なバス媒介結合システムが提供される。第１の入力ポートは、第１のキュービットに結合されるように構成され、第２の出力ポートは、第２のキュービットに結合されるように構成される。コントローラは、第１キュービットと第２のキュービットとの間の強力な結合を提供する低インダクタンス状態と、第１のキュービットと第２のキュービットとの間の分離を提供する高インダクタンス状態との間で可変インダクタンス結合要素のインダクタンスを制御するように構成される。

別の例では、第１のキュービットを有する第１のキュービットシステムと、第１のキュービットシステムから離間し、かつ第２のキュービットを有する第２のキュービットシステムとを含む超電導システムが提供される。調整可能なバス媒介カプラーが、第１のキュービットと第２のキュービットとの間に配置される。調整可能なバス媒介カプラーは、第１のキュービットを第２のキュービットに強力に結合する第１の状態と、第１のキュービットを第２のキュービットから分離する第２の状態とを有する。

さらに別の例では、第１のキュービットを含む第１のキュービットシステムと、第１のキュービットシステムとは離間し、かつ第２のキュービットを含む第２のキュービットシステムと、第１および第２のキュービット間に配置された調整可能なバス媒介カプラーとを含む超電導システムが提供される。調整可能なバス媒介カプラーは、第１の共振器を介してジョセフソン接合の第１の端部に結合された第１の入力ポートと、第２の共振器を介してジョセフソン接合の第２の端部に結合された第２の入力ポートとを備える。第１の入力ポートは第１のキュービットに結合され、第２の出力ポートは第２のキュービットに結合される。調整可能なバス媒介カプラーは、第１の端部で第１の共振器とジョセフソン接合との間に結合され、かつ第２の端部で接地される第１の終端インダクタと、第１の端部で第２の共振器とジョセフソン接合との間に結合され、かつ第２の端部で接地される第２の終端インダクタとを含み、第１の終端インダクタ、前記ジョセフソン接合、および前記第２の終端インダクタは、ＲＦ−Ｓｑｕｉｄを形成する。バイアスインダクタは、第１の終端インダクタおよび第２の終端インダクタの一方に誘導結合されている。バイアスインダクタを通る電流の量によって、第１および第２のキュービット間の結合強度が制御される。コントローラは、第１および第２の終端インダクタの一方に誘導結合されたバイアスインダクタを通る電流量を制御して、第１のキュービットと第２のキュービットとの間の強力な結合を提供する低インダクタンス状態と第１のキュービットと第２のキュービットとの間の分離を提供する高インダクタンス状態との間でジョセフソン接合のインダクタンスを制御する。

超電導システムの一例のブロック図を示す。 図１において使用可能な調整可能なバス媒介カプラーの一例の概略図である。 偶数（破線）モードと奇数（実線）発振モードを示す組み合わされた結合共振器システムの長さに沿った電圧のグラフを示す。 周波数分割偶数および奇数モードを生成する図２のハイブリッド化された左右の共振器を示す概略レベルの図である。 特定の磁束設定のシミュレーション結果を示す図形パネルを示す。 磁束依存結合による偶数および奇数バスモードの周波数分割を示すグラフィックパネルを示す。 磁束依存臨界電流に応じたバスモード分割およびキュービット対キュービットバス媒介結合の依存性を示すシミュレーション結果のグラフを示す。

本開示は、概して超電導回路に関し、より詳細には、遠隔キュービット間の調整可能なバス媒介結合（またはカプラー）に関する。一例では、可変インダクタンス結合要素が、別々の遠隔超電導システムに存在し得る２つのキュービットの間に配置される。可変インダクタンス結合要素は、キュービット間の強力な結合状態と非結合（または分離）状態との間で調整するとともに、キュービット間の中間結合強度の様々な状態に調整することができる。このようにして、非結合状態で独立したキュービットの状態情報に対して操作を行うことができ、一方、強力な結合状態の間に状態情報をキュービットの間で交換することができる。さらに、状態情報は、キュービット間の中間結合強度状態において、元のキュービットの状態情報を破壊することなく、キュービット間で操作および通過させることができる。一例では、可変インダクタンス結合要素は、ジョセフソン接合であり得る。可変インダクタンス結合要素は、単一のジョセフソン接合またはＮ個のジョセフソン接合の直列アレイとして配置することができ、それぞれが元のジョセフソン接合よりＮ倍大きい臨界電流を有する。

別の例では、ＲＦ−ＳＱＵＩＤ調整可能なカプラーは、半波長共振器バスの中間に埋め込まれたジョセフソン接合を含む。ＲＦ−ＳＱＵＩＤは、結合のためにキュービット間のバス媒介分散相互作用を可能にする。バス媒介結合の利点は、キュービットが物理的に、例えば量子プロセッサチップ上の別個の回路ブロック内に互いに離れて配置することができることである。所望のときに本質的にオフにすることができる調整可能なカプラーの利点は、周波数の混雑とキュービット間の望ましくない残留相互作用の低減である。さらに、相互作用強度は、製造プロセスのばらつきを補償するために現場で較正および調整することができ、かつ計算プロトコルの一部としてリアルタイムで制御することができる。

ジョセフソン接合は、ＳＱＵＩＤに電流が誘起されないか、または低電流が誘起される場合に第１のインダクタンスを有し、かつ例えば、約０．１Φ_０を超え、約０．４５Φ_０未満の磁束を生成または誘導する所定の閾値である電流またはより高電流が個々のＳＱＵＩＤにおいて誘起される場合に第２のインダクタンスを有することができる。ここで、Φ_０は、磁束量子と等しい。第１のインダクタンス（例えば、ｈバー／２ｅ＊１／Ｉ_Ｃ、ｈバーはプランク定数を２πで除算したものであり、ｅは電子電荷であり、Ｉ_Ｃはジョセフソン接合の臨界電流である）は第１のキュービットと第２のキュービットとの間の結合を提供する。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、第１のキュービットと第２のキュービットとの間の非結合を提供することができる。

図１は、超電導システム１０の一例のブロック図を示す。超電導システムは、調整可能なカプラーシステム１４を介して第２のキュービットシステム１６に結合された第１のキュービットシステム１２を含む。第１のキュービットシステム１２は、キュービット（１１，１）からキュービット（１、Ｎ）とラベル付けされた複数のキュービットを含み、第２のキュービットシステム１６は、キュービット（２，１）からキュービット（２、Ｎ）とラベル付けされた複数のキュービットを含み、（Ｘ、Ｎ）は、キュービットシステムを表すＸを提供し、Ｎはキュービットシステム内のキュービット番号を表し、Ｎは１以上の整数である。第１のキュービットシステム１２及び第２のキュービットシステム１６は、個々のゲート動作、エラー訂正動作、メモリ動作、又は様々な任意の他の超電導動作のような個々の論理動作を実行する別個の論理ブロックとすることができる。第１のキュービットシステム１２および第２のキュービットシステム１６は、他のキュービットシステムのキュービットに結合されていないが、様々なキュービットおよび他の超電導動作を実行するその個々のシステムにおける他のキュービットに結合され得る様々な追加のキュービットおよび他の超電導要素を含むことができる。

第１のキュービットシステム１２内の各キュービットは、調整可能なカプラー１から調整可能なカプラーＮとラベル付けされたＮ個の調整可能なカプラーを有する調整可能なカプラーシステム１４の個々の調整可能なカプラーによって第２のキュービットシステム１６内の個々のキュービットに結合されている。各調整可能なカプラーは、対向するキュービットシステム１２および１６の２つの独立したキュービットの間の結合強度の制御を可能にするように調整することができる可変インダクタンス結合要素をそれぞれ含む。可変インダクタンス結合要素は、調整可能なバス媒介カプラーを介して２つの独立したキュービットの遠隔結合を可能にするように２つの共振器の間に配置される。一例では、可変インダクタンス結合要素は、２つの共振器の間に配置されたＲＦ ＳＱＵＩＤ内に存在するジョセフソン接合である。超電導スイッチングシステム１０はまた、スイッチコントローラ１８およびバイアス要素１６を含む。可変インダクタンス結合要素は、バイアス要素１６およびスイッチコントローラ１８を介して磁束によって結合および非結合するとともに、対向するキュービットシステム１２および１６における個々の独立したキュービット間の結合強度を制御するように制御される。

図２は、図１において使用可能な調整可能なバス媒介カプラー３０の一例の概略図である。調整可能なバス媒介カプラー３０は、第１の１／４波長伝送線路共振器ＴＬ１と第２の１／４波長伝送線路共振器ＴＬ２とからなる。第１の結合コンデンサＣ１は第１のポート（ポート１）を第１の１／４波長伝送線路共振器ＴＬ１の第１の端部に結合し、第２の結合コンデンサＣ２は第２のポート（ポート２）を第２の１／４波長伝送線路共振器ＴＬ２の第１の端部に結合する。第１のポート（ポート１）は第１のキュービットに結合され、第２のポート（ポート２）は第２のキュービットに結合される。第１の１／４波長伝送線路共振器ＴＬ１の第２の端部は、第１の終端インダクタＬ１を介してグランドに短絡され、第２の１／４波長伝送線路共振器ＴＬ２の第２の端部は、第２の終端インダクタＬ２を介してグランドに短絡される。終端インダクタＬ１とＬ２との間にさらにジョセフソン接合Ｊ１が接続されており、ジョセフソン接合Ｊ１は終端インダクタＬ１およびＬ２と共にＲＦ−ＳＱＵＩＤ３２を形成する。

ＲＦ−ＳＱＵＩＤ３２は、第３のポート（ポート３）と第４のポート（ポート３）との間にバイアスインダクタンスＬ３を介して流れる電流によって誘起される相互インダクタンスＭによりＲＦ−ＳＱＵＩＤループ内で誘起される磁束Φ_ｅによって制御される可変トランスとして機能する。ジョセフソン接合Ｊ１とＲＦ−ＳＱＵＩＤ３２内の線形インダクタンスＬ１、Ｌ２との比によって決定されるような、ＲＦ−ＳＱＵＩＤ３２内に閉じ込められた磁束Φ_ｅがΦ_０／２の相当量（ａｐｐｒｅｃｉａｂｌｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ）であるとき、２つの共振器ＴＬ１とＴＬ２との間の実効的な相互結合は本質的にゼロである。閉じ込められた磁束がゼロに近いか、またはΦ_０の整数倍であるとき、共振器ＴＬ１とＴＬ２との間の実効的な相互結合はかなりの程度のＭ_ｅｆｆ＝Ｌ_１＊Ｌ_２／（Ｌ_Ｊ１＋Ｌ_１＋Ｌ_２）に等しい。閉じ込められた磁束がΦ_０／２に近くなると、実効的な相互結合はかなりの程度の負となる。従って、２つの共振器ＴＬ１とＴＬ２との間の実効的な相互結合Ｍ_ｅｆｆ（Φ_ｅ）は、印加される磁束の関数である。バイアスインダクタンスＬ３を流れる電流を変化させることによって磁束がゼロとΦ_０／２との間で変化して、第１のポート（ポート１）および第２のポート（ポート２）に結合される第１および第２のキュービット間の実効的な結合の強度を変化させることができる。

図３は、偶数（破線）と奇数（実線）の発振モードを示す図２の組み合わされた結合共振器の長さに沿った電圧のグラフ４０を示す。２つの伝送線路共振器ＴＬ１とＴＬ２との間の結合により、組み合わされたシステムは異なる周波数を有する２つの発振固有モードを示す。最初の偶数モードは、組み合わされたシステムの半波長周波数に近い周波数Ω_０を有し、伝送線路の両端の電圧が１８０度位相をずらして発振する。偶数モードは、異なる周波数Ωｅを有し、伝送線路の両端の電圧が同相で発振する。結合が正であるとき、偶数モードの周波数は奇数モードの周波数よりも大きい。結合が負の場合、偶数モードの周波数は奇数モードの周波数よりも小さい。いずれの場合も、偶数モードと奇数モードは、実効的な相互Ｍ_ｅｆｆ（Φ_ｅ）に比例した量２ｇ_ｃで周波数が分割される。

図２のコンデンサＣ１およびＣ２を介して結合共振器バスの２つのポートに接続されたキュービットは、各々バスの偶数モードと奇数モードの両方で相互作用する。分散領域（ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｒｅｇｉｍｅ）では、キュービットの周波数がバスの周波数から十分に離調されると、キュービット間の実効的なバス媒介相互作用が存在する。しかしながら、偶数モードによる媒介された相互作用の符号は、奇数モードによる相互作用の符号とは反対であり、従って、総合的な実効的な媒介結合は、２つのバスモードによる結合のバランスとして決定することができる。特に、２つの寄与は、大きさが等しく、符号が反対であり、その結果、結合がキャンセルされる。図４は、周波数分割偶数および奇数モードを生成するハイブリッド化された左右の共振器と、左右のキュービットがそれぞれ個々に奇数モードから離調Δ_Ｌ、Ｒｏおよび偶数モードから離調Δ_Ｌ、Ｒｅすることを示す概略レベルの図５０である。

分散領域におけるキュービット間の全体的なバス媒介結合は、以下の式によって離調の関数として与えられる。

ここで、ｇ_Ｌ、Ｒは、図２のコンデンサＣ１およびＣ２を介した各共振器に対するキュービットの固定結合強度である。２つのキュービットの周波数が等しい場合、Δ_Ｌｅ＝Δ_Ｒｅ＝Δ_ｅおよびΔＬ_ｏ＝Δ_Ｒｏ＝Δ_ｏとなり、実効的なバス媒介キュービット結合の式は以下のように簡略化される。

ここで、ｇ_ｅｆｆはｇ_ｃにより、かつ潜在的にΔ_ｅおよびΔ_ｏにより磁束Φ_ｅに依存し、これらは、全て磁束依存である。

アジレント社のアドバンスト・デザイン・シミュレーション（ＡＤＳ）ツールシミュレーションを、線形インダクタで近似された接合部を用いて実施し、その際、線形インダクタの値は、公称ゼロ電流ジョセフソン・インダクタンスの値の５０倍大きい値に変更した。特定の磁束設定に関するシミュレーションの結果は、図５のパネル６０および図６のパネル７０に示されている。図５は、実効的な相互作用ｇ_ｅｆｆに起因するキュービットスペクトルにおける分割を示し、図６は、磁束依存結合ｇ_ｃによる偶数および奇数バスモードの周波数分割を示す。このシミュレーションにより、ｇ_ｅｆｆのｇ_ｃに対する関数依存性が確認され、ジョセフソン接合の磁束調整可能なインダクタンスに対するｇ_ｃの予想される依存性が確認される。

図７は、キュービットバス周波数離調のある値に対する接合部の磁束依存臨界電流の関数として、バスモード分割ｇ_ｃおよびキュービット対キュービットのバス媒介結合ｇ_ｅｆｆの依存性を示すシミュレーション結果のグラフ８０を示す。示されている例では、バス周波数はキュービット周波数よりも高いが、バス周波数がキュービット周波数よりも低い場合、同じ動作が再現される。

要約すると、ＲＦ−ＳＱＵＩＤ調整可能カプラーは、組み合わされたシステムが、媒介されたキュービット対キュービット相互作用に対して反対の信号で寄与する２つのモードを有する量子バスを形成するように、２つの４分の１波長共振器の間に埋め込まれている。従って、キュービット間の総合的な実効的な相互作用は、２つのバスモードからの媒介された結合に対する寄与の間のバランスとして磁束によって調整可能である。所望するときに本質的にオフにすることができる調整可能な結合の利点は、周波数集中およびキュービット間の望ましくない残留相互作用の減少である。さらに、相互作用の強度は、製造プロセスのばらつきを補償するために現場で較正および調整することができ、かつ計算プロトコルの一部としてリアルタイムで制御することができる。

上記の説明は、本発明の例である。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が、当業者であれば、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。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。

Claims (10)

1. 超電導システムであって、
   第１のキュービットを含む第１のキュービットシステムと、
   前記第１のキュービットシステムから離間し、かつ第２のキュービットを含む第２のキュービットシステムと、
   前記第１のキュービットと前記第２のキュービットとの間に配置された調整可能なバス媒介カプラーであって、
   第１の１／４波長伝送線路共振器を介してジョセフソン接合の第１の端部に結合された第１のポートと、前記第１のポートは、前記第１のキュービットに結合され、
   第２の１／４波長伝送線路共振器を介して前記ジョセフソン接合の第２の端部に結合された第２のポートと、前記第２のポートは、前記第２のキュービットに結合され、
   第１の端部では第１の共振器と前記ジョセフソン接合との間に結合され、第２の端部では接地される第１の終端インダクタと、
   第１の端部では第２の共振器と前記ジョセフソン接合との間に結合され、第２の端部では接地される第２の終端インダクタとを含み、前記第１の終端インダクタ、前記ジョセフソン接合、および前記第２の終端インダクタはＲＦ−ＳＱＵＩＤを形成する、前記調整可能なバス媒介カプラーと、
   前記第１の終端インダクタと前記第２の終端インダクタのうちの一方に誘導結合されたバイアスインダクタであって、前記バイアスインダクタを通る電流量が、前記第１のキュービットと第２のキュービットとの間の結合強度を制御する、前記バイアスインダクタと、
   前記第１および第２の終端インダクタのうちの一方に誘導結合された前記バイアスインダクタを流れる電流量を制御して、前記第１のキュービットと前記第２のキュービットとの間の強力な結合を提供する低インダクタンス状態と、前記第１のキュービットと前記第２のキュービットとの間の分離を提供する高インダクタンス状態との間で前記ジョセフソン接合のインダクタンスを制御するコントローラと
   を備える超電導システム。
2. 前記第１のキュービットと前記第１の共振器との間に結合された第１の結合コンデンサと、前記第２の共振器と前記第２のキュービットとの間に結合された第２の結合コンデンサとをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記コントローラは、前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤ内に正味の磁束を誘起せず前記第１のキュービットと前記第２のキュービットとの間の結合を可能にする無電流と、前記第１のキュービットと前記第２のキュービットとの間の分離を提供する、約０．１Φ_０から約０．４５Φ_０のＳＱＵＩＤ内の正味の磁束を誘起する電流との間で前記バイアスインダクタを流れる電流を提供し、ここで、Φ_０は磁束量子と等しい、請求項１に記載のシステム。
4. ２つの共振器の間の実効的な相互結合が、前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤに印加される磁束の関数である、請求項１に記載のシステム。
5. 共振器の間の実効的な相互結合は、前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤ内に閉じ込められた磁束がゼロまたはΦ_０の整数倍に近いときに、終端インダクタのインダクタンスの積を、前記ジョセフソン接合および前記終端インダクタのインダクタンスとの和で除算したものに等しい、請求項１に記載のシステム。
6. 前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤ内に閉じ込められた磁束がΦ_０／２に近いとき、共振器の間の実効的な相互結合がかなりの程度の負となる、請求項１に記載のシステム。
7. システムは、異なるバス周波数を有する２つの発振固有モードを示し、２つのモードは、共振器の両端の電圧が１８０度位相をずらして発振する、前記システムの半波長周波数に近いバス周波数を有する奇数モードと、共振器の両端の電圧が同相で発振する、異なるバス周波数を有する偶数モードとを含む、請求項１に記載のシステム。
8. 共振器の間の実効的な相互結合は、前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤ内に閉じ込められた磁束がゼロまたはΦ_０の整数倍に近いときに、終端インダクタのインダクタンスの積を、前記ジョセフソン接合および前記終端インダクタのインダクタンスの和で除算したものに等しく、前記偶数モードおよび前記奇数モードは、実効的な相互結合に比例した量だけ周波数が分割される、請求項７に記載のシステム。
9. 前記バス周波数から離調されるキュービットの周波数によって特徴付けられる分散領域においてキュービット間の実効的なバス媒介相互作用が存在する、請求項７に記載のシステム。
10. 前記第１のキュービットと前記第１の共振器との間に結合された第１の結合コンデンサと、前記第２の共振器と前記第２のキュービットとの間に結合された第２の結合コンデンサとをさらに備え、前記分散領域におけるキュービット間の実効的なバス媒介相互作用の結合強度は、２つのキュービットの周波数が等しい場合、結合コンデンサを介した各共振器に対するキュービットの固定結合強度と、前記奇数モードからの離調と前記偶数モードからの離調との積で除算されたバスモード分割の２倍との積に等しい、請求項９に記載のシステム。