JP2020509579A - 磁束キュービットのためのｘｘカプラ - Google Patents

Abstract

２つの磁束キュービットを結合するためのシステムおよび方法が提供される。量子回路アセンブリは、少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第１の磁束キュービットと、少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第２の磁束キュービットとを含む。第１および第２のキュービットによって形成されたシステムは、結合前に少なくとも４つのポテンシャルエネルギー極小点を有し、４つのポテンシャルエネルギー極小点の各々は、第１の磁束キュービットおよび第２の磁束キュービットを含むシステムの少なくとも１つの固有状態を含む。カプラは、システムの第１のポテンシャルエネルギー極小点とシステムの第２のポテンシャルエネルギー極小点との間の第１のトンネリング経路、およびシステムの第３のポテンシャルエネルギー極小点とシステムの第４のポテンシャルエネルギー極小点との間の第２のトンネリング経路を形成する。カプラは、等しいビットパリティの状態を表すポテンシャルエネルギー極小点間に第１および第２のトンネリング経路を形成する。

Description

本発明は、連邦政府契約番号３００６９３５３の下で政府の支援を受けて行われた。政府は本発明において一定の権利を有し得る。
本発明は量子コンピューティングに関し、より詳細には、磁束キュービットのＸ基底状態を結合するためのカプラに関する。

古典的なコンピュータは、古典的な物理学の法則に従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およびＯＲゲートなどの単純な論理ゲートを使用することによって修正することが可能である。バイナリビットは、論理ゲートの出力に生じる高または低信号レベルによって物理的に生成され、論理１（例えば、高電圧）または論理０（例えば、低電圧）のいずれかを表す。２つの整数を乗算するような古典的なアルゴリズムは、これらの単純な論理ゲートの長い列に分解することが可能である。古典的なコンピュータのように、量子コンピュータもビットおよびゲートを有している。論理１および０を使用する代わりに、量子ビット（「キュービット（ｑｕｂｉｔ）」）は、量子力学を使用して両方の可能性を同時に占有する。この能力および他の独自の量子力学的特徴は、量子コンピュータが、古典的なコンピュータのそれより指数関数的に速くある種の問題を解くことを可能にする。

本発明の一態様によれば、量子回路アセンブリは、少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第１の磁束キュービットと、少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第２の磁束キュービットとを含む。第１のキュービットおよび第２のキュービットによって形成されたシステムは、結合前に少なくとも４つのポテンシャルエネルギー極小点を有し、４つのポテンシャルエネルギー極小点の各々は、第１の磁束キュービットおよび第２の磁束キュービットを含むシステムの少なくとも１つの固有状態を含む。カプラは、システムの第１のポテンシャルエネルギー極小点とシステムの第２のポテンシャルエネルギー極小点との間の第１のトンネリング経路、およびシステムの第３のポテンシャルエネルギー極小点とシステムの第４のポテンシャルエネルギー極小点との間の第２のトンネリング経路を形成する。カプラは、等しいビットパリティの状態を表すポテンシャルエネルギー極小点間に第１および第２のトンネリング経路を形成し、第１のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜０１＞を表し、第２のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜１０＞を表し、第３のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜００＞を表し、第４のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜１１＞を表すようにする。

本発明の他の態様によれば、２つの磁束キュービットの量子状態を結合するための方法が提供される。第１の磁束キュービットは、少なくとも１つの調整可能なジョセフソン接合を備えるカプラを介して第２の磁束キュービットに電気的に結合されて、第１及び第２のキュービットによって形成されたシステムに関連する第１のペアのポテンシャルエネルギー極小点間の第１のトンネリング経路と、システムに関連する第２のペアのポテンシャルエネルギー極小点間の第２のトンネリング経路とを形成する。制御信号が、少なくとも１つの調整可能な接合に印加されて、第１のトンネリング経路に関連する第１のトンネリングエネルギーおよび第２のトンネリング経路に関連する第２のトンネリングエネルギーのうちの１つを調整する。

本発明のさらに別の態様によれば、量子回路アセンブリは、少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第１の磁束キュービットと、少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第２の磁束キュービットとを含む。第１のキュービットおよび第２のキュービットによって形成されたシステムは、結合前に少なくとも４つのポテンシャルエネルギー極小点を有し、４つのポテンシャルエネルギー極小点の各々は、第１の磁束キュービットおよび第２の磁束キュービットを含むシステムの量子状態を含む。複数の調整可能なジョセフソン接合を含むカプラは、システムの第１のポテンシャルエネルギー極小点とシステムの第２のポテンシャルエネルギー極小点との間の第１のトンネリング経路、およびシステムの第３のポテンシャルエネルギー極小点とシステムの第４のポテンシャルエネルギー極小点との間の第２のトンネリング経路を形成する。カプラは、複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに印加された制御信号を介して調整可能であり、第１のトンネリング経路に関連する第１のトンネリングエネルギーおよび第２のトンネリング経路に関連する第２のトンネリングエネルギーを調整する。

２つの結合された磁束キュービットを備えるシステムの一例を示す図である。 ＸＸ相互作用を生成するための量子回路の高レベル概略図である。 ２つの磁束キュービット間にＸＸ相互作用を生成するための量子回路の一例を示す図である。 位相基準で図３の回路を表すエネルギー図である。 ２つの磁束キュービット間にＸＸ相互作用を生成するための量子回路の他の例を示す図である。 ２つの磁束キュービット間にＸＸ相互作用を生成するための量子回路のさらに別の例を示す図である。 ２つの磁束キュービットの量子状態を結合するための方法の一例を示す図である。

システムおよび方法は、２つの磁束キュービット間にＸＸ結合を提供している。２つのキュービット間のＸＸ結合は、第１および第２のキュービットの状態が両方とも＋Ｘ方向を指すか、または両方とも−Ｘ方向を指すＸ軸に沿った同じ方向に整列することをエネルギー的に有利にする。各軸は、キュービットのブロッホ球上で定義された特定の量子状態に対応する。ＸＸ相互作用は、量子アニーリングマシンで使用されるＺＺおよびＺハミルトニアン項に概して関連したｎｏｎ−ｓｔｏｑｕａｓｔｉｃハミルトニアンの生成、参照により本明細書に組み込まれる、２０１６年８月１日に出願された「マルチステップ断熱ドラッグによる量子ゲート」と題する同時係属出願第１５／２２５，１０２号に記載されているものなどのような様々な量子論理ゲート、および参照により本明細書に組み込まれる、２０１６年８月１日に出願された「受動ノイズ抑制を用いた量子演算」と題する同時係属出願第１５／２２５，２１０号に記載されているものなどのような様々な受動ノイズ抑制方式を含む複数の用途を有する。

図１は、２つの結合された磁束キュービットを含むシステム１０の一例を示す。このシステムは、第１の磁束キュービット１２と、ＸＸカプラ１６を介して第１の磁束キュービットに動作可能に結合された第２の磁束キュービット１４とを含む。磁束キュービットは、一般的に言えば、いくつかのジョセフソン接合によって遮られた超伝導ループである。バイアス要素は図１の単純化された例には示されていないが、一般的な動作では、磁束キュービットは、超伝導磁束量子Φ_０の単位で磁束によってバイアスされる。印加されたバイアス磁束が磁束量子の二分の一に近く、かつ適切なデバイスパラメータに対してシステムのポテンシャルエネルギーが２つの極小点を示す場合、一方は超伝導ループにおける時計回りの電流に、そして他方は反時計回りの電流に対応する。可能性のある２つの電流の方向は、システムの最小エネルギー量子状態を表す。バイアス磁束の磁束量子の半分であっても単一のポテンシャル井戸を有することも可能であるが、本明細書に記載された二重井戸型は、本発明のカプラがエネルギー的に縮退した状態でも機能する独自の能力を強調する。

２つの磁束キュービット１２および１４を含む量子システムは、両方のキュービットが適切にバイアスされていると仮定すると、４つのエネルギー極小点を有する。標準基底において電流の第１の方向（例えば、時計回り）を参照するために｜０＞を使用し、第２の方向（例えば、反時計回り）に適用するために｜１＞を使用すると、エネルギー極小点を表す４つの状態は、｜００＞、｜０１＞、｜１０＞、および｜１１＞である。エネルギー極小点は、ポテンシャル障壁によって分離されており、ある極小点から別の極小点への遷移には、量子トンネリングがない場合は、一方または両方のキュービットを励起状態にし、次いで励起された（単数または複数の）キュービットがエネルギー極小点のうちの１つに再び落ちるために、一般にシステムへのエネルギーの印加を必要とする。

量子回路は、所与のキュービットの状態がエネルギーの印加なしに変化し得る非ゼロ確率があるように設計することができる。一般に、磁束キュービットループにおけるジョセフソン接合は、２つ以上の極小点と、多次元位相波動関数がトンネルすることができる障壁とを有するポテンシャルを生成する。本発明の一態様によれば、ＸＸカプラ１６は、第１の磁束キュービット１２および第２の磁束キュービット１４の複数の状態に関連するポテンシャル極小点間に複数のトンネリング経路を形成し、等しいビットパリティを有する基底状態のペア間のトンネリング経路が形成されるようになる。言い換えれば、ＸＸカプラ１６は、２つのキュービットによって形成されたシステムが状態｜００＞と｜１１＞との間で、および状態｜０１＞と｜１０＞との間でトンネルすることを可能にする。実質的に、第１のトンネリング経路は、第１の相互作用ｇ_１（｜０１＞＜１０｜＋｜１０＞＜０１｜）を生成し、ｇ_１は第１の相互作用の強度またはトンネリングエネルギーであり、第２のトンネリング経路は、第２の相互作用ｇ_２（｜００＞＜１１｜＋｜１１＞＜００｜）を生成し、ｇ_２は第２の相互作用の強度である。所与のトンネリング経路に対する相互作用強度ｇ_ｉは、２つの状態間のトンネリング障壁の高さに依存し、結合項の基底状態と励起状態との間で分裂するエネルギーの半分に等しい。２つの相互作用の合計は、標準基底、またはＺ基底で書かれたＸＸ相互作用である。

提案されたＸＸカプラ１６の利点は、ブロッホ球の他の軸に沿ってキュービットを結合することなく、または単一キュービットトンネリングのような単一キュービット効果を導入することなく、ＸＸ相互作用を提供できることである。カプラジョセフソン接合が製造ばらつきによりわずかに異なる臨界電流を有する場合、カプラは相互作用ｇ_ＸＸＸＸ＋ｇ_ＹＹＹＹ＋ｇ_ＺＺＺＺを生じる可能性があり、ｇ_ＹＹおよびｇ_ＺＺの符号は、カプラ接合の臨界電流の相対値に応じて正または負であり得る。ｇ_ＹＹおよびｇ_ＺＺの大きさは、１つまたは複数の接合を、複合接合などの調整可能な接合で置き換えることによってゼロに調整することが可能である。例えば、複合接合が使用される場合、結合強度は、複合接合ループ内の磁束を調整することによって調整することができる。接合の変動が小さい場合は、ｇ_ＹＹおよびｇ_ＺＺを調整してゼロにするのに必要な調整可能な接合は１つだけである。接合変動が大きい場合、複数の接合が調整可能な接合に置き換えられて、ｇ_ＹＹおよびｇ_ＺＺを調整してゼロにすることができる。これは、ＸＸ結合強度を調整することを可能にし、そして所望の場合ゼロに設定することさえも可能にする。純粋なＺＺ結合が望まれる場合、トンネリング障壁は、第１の組の制御磁束を用いて上昇させることができ、それによってポテンシャル極小点間のすべてのトンネリングを遮断し、００および１１極小点の両方は、第２の組の制御磁束を用いて、０１および１０極小点に対してエネルギーを上昇させるか、または低下させることが可能である。さらに、提案されたカプラは、縮退したエネルギー状態、すなわち同じエネルギーを有するエネルギー状態を有するキュービットに使用することができる。磁束キュービットは、縮退基底状態で動作することができるキュービットの一般的な例である。本発明者らは、現在の製造技術を考慮すると、提案されたカプラを介して、２つの磁束キュービット間に２ギガヘルツもの高い結合強度を達成できることを見出した。

図２は、ＸＸ相互作用を生成するための量子回路３０の高レベル概略図を示す。図３、図５、および図６のより具体的な例とは対照的に、図示の回路は、含まれる概念をよりよく説明するために概念的なレベルで提供されている。回路３０は、ＸＸカプラ４０によって結合された第１の磁束キュービット３２および第２の磁束キュービット３４を含む。カプラ４０は、２つの磁束キュービット３２および３４を含むシステムの量子状態を表す、ポテンシャルエネルギー極小点間に第１のトンネリング経路４２および第２のトンネリング経路４４を形成するように構成されている。第１の制御機構５２は、第１のトンネリング経路４２に沿ったトンネリング強度および第１のトンネリング経路を介して結合された状態の絶対エネルギーを変化させる１つまたは複数の制御磁束を生成する。第２の制御機構５４は、第２のトンネリング経路４４に沿ったトンネリング強度および第２のトンネリング経路を介して結合された状態の絶対エネルギーを変化させる１つまたは複数の制御磁束を生成する。第３の制御機構５６は、磁束キュービットおよびカプラの両方を含む、量子回路の特定のノード上にオフセット電荷値を設定する電圧信号を供給する。オフセット電荷の制御は、ＸＸ結合の符号を正または負のいずれかに調整することを可能にする。

図３は、２つの磁束キュービット間にＸＸ相互作用を生成するための量子回路７０の一例である。図示の実装形態では、２つの磁束キュービットは調整可能ではなく、少なくとも部分的にカプラアセンブリ自体に統合されており、回路７０は、適切な回路パラメータに対して二重縮退基底状態

を有する単一アセンブリとして概念化することができる。ここで、第１の磁束キュービットの状態（０または１）は、第１のジョセフソン接合７２および第２のジョセフソン接合７３を通過する電流の方向を表し、第２の磁束キュービットの状態（０または１）は、第３のジョセフソン接合７４および第４のジョセフソン接合７５を通過する電流の方向を表す。上述のように、磁束キュービットはカプラと一体であるが、カプラは、第５、第６、第７、および第８のジョセフソン接合７６〜７９ならびにキャパシタ８０を含むと考えることができる。任意の数の接合を、磁束で調節可能な複合接合などの調節可能な接合で置き換えることができることに留意されたい。中程度の接合非対称性の存在下では、高純度ＸＸ相互作用のためには２つの調整可能な接合を組み込むことで十分である。図３の回路は、２つの接合２１４および２２４が複合接合に置き換えられ、ほぼゼロのジョセフソンエネルギーに調整されている図６の回路の例と見なすこともできる。この場合、２つの接合２１４および２２４は回路から省略することができ、図３における簡略化された回路を生成する。

各ジョセフソン接合７２〜７９ならびにキャパシタ８０は、そのコンポーネントに亘る超伝導位相δ_ｉを有する。例示の目的で、第１のジョセフソン接合７２および第２のジョセフソン接合７３の各々は、同じ超伝導位相δ_１を有すると仮定され、第３のジョセフソン接合７４および第４のジョセフソン接合７５の各々は、同じ超伝導位相δ_２を有すると仮定される。この仮定の下では、カプラによるポテンシャルＵ_Ｃは次のように書くことができる。

ここで、Ｅ_５は第５のジョセフソン接合７６のジョセフソンエネルギーであり、Ｅ_６は第６のジョセフソン接合７７のジョセフソンエネルギーであり、Ｅ_７は第７のジョセフソン接合７８のジョセフソンエネルギーであり、Ｅ_８は第８のジョセフソン接合７９のジョセフソンエネルギーであり、δ_３はキャパシタ８０に亘る超伝導位相であり、ｆ_１は接合７２から７７を含むアセンブリのループを通る磁束量子での磁束であり、ｆ_２は接合７２、７３、７７、および７８を含むアセンブリのループを通る磁束量子での磁束であり、ｆ_３は接合７４、７５、７７、および７９を含むアセンブリのループを通る磁束量子での磁束である。

Ｅ_５＝Ｅ_６＝Ｅ_７＝Ｅ_８＝Ｅ、ｆ_１＝０、およびｆ_２＝ｆ_３＝０．５の場合、ポテンシャルは次のように書き換えられる。

このポテンシャルは、δ_３＝０に対し、エネルギーが線δ_１＝δ_２に沿って正であり、線δ_１＝−δ_２に沿って負であるという望ましい性質を有する。δ_３＝πにおいては、その反対が真となり、エネルギーは線δ_１＝δ_２に沿って負であり、線δ_１＝−δ_２に沿って正である。ここで、それぞれ位相変数δ_１およびδ_２であるジョセフソン接合を有する２つの結合されていない磁束キュービットは、［±δ_０，±δ_０］で４つの極小点を有するポテンシャルを有し、ここで｜δ_０｜は各磁束キュービットに対する二重井戸ポテンシャルの極小点での位相の大きさである。カプラを導入することは、δ_３＝０において、２つの状態

に対する２つの状態±［δ_０，δ_０］のエネルギーを上昇させ、δ_３＝πにおいてはその逆である。従って、極小点のペアは定数δ_３の別々の面に位置する。

図４は、超伝導位相δ_１、δ_２、およびδ_３に関して、図３の回路を表すエネルギー図である。エネルギー図では、灰色の形状は同じエネルギーを有する面を表し、それよりも小さい黒一色の形状はポテンシャルの４つの極小点を表す。４つの極小点は、極小点における位相δ_１およびδ_２の符号に基づいてラベル付けされ、それらはキュービット内の電流の方向を決定する。エネルギー図の第１の表示１１０は、δ_２−δ_３面へのエネルギー図の投影を示す。横軸１１２は、２πで割ったラジアンで表した第２のキュービットに関連するジョセフソン接合７４および７５の超伝導位相δ_２の値を表し、縦軸１１４は、２πで割ったラジアンで表した関連するキャパシタ８０の超伝導位相δ_３の値を表す。２つの極小点｜０１＞および｜１０＞は、面δ_３＝０上に位置し、他の２つの極小点｜００＞および｜１１＞は、δ_３／２π＝０．５、より簡単には、δ_３＝πに対応する面上に位置することが理解されるだろう。

エネルギー図の第２の表示１２０は、δ_１−δ_２面へのエネルギー図の投影を示す。横軸１２２は、２πで割ったラジアンで表した第１のキュービットに関連するジョセフソン接合７２および７３の超伝導位相δ_１の値を表し、縦軸１２４は、２πで割ったラジアンで表した第２のキュービットに関連するジョセフソン接合７４および７５の超伝導位相δ_２の値を表す。２つの極小点｜０１＞および｜１０＞は、面δ_１＝−δ_２上に位置し、他の２つの極小点｜００＞および｜１１＞は、面δ_１＝δ_２上に位置することが理解されよう。エネルギー図の第３の表示１３０は、斜視図を示す。他の表示１１０および１２０と同様に、第１の軸１３２は、２πで割ったラジアンで表した第１のキュービットに関連するジョセフソン接合７２および７３の超伝導位相δ_１の値を表し、第２の軸１３４は、２πで割ったラジアンで表した第２のキュービットに関連するジョセフソン接合７４および７５の超伝導位相δ_２の値を表し、第３の軸１３６は、２πで割ったラジアンで表した関連するキャパシタ８０の超伝導位相δ_３の値を表す。

図から分かるように、波動関数の広がりが、δ_１−δ_２面において大きく、トンネル結合を可能にするが、δ_３方向では小さい場合、所望の基底状態

が形成される。−ＸＸ相互作用の強度は、ポテンシャル極小点間のトンネル結合の強度によって与えられる。ある極小点から別の極小点への複数のトンネリング経路がある場合、オフセット電荷がアハラノフ−キャッシャー（Ａｈａｒｏｎｏｖ−Ｃａｓｈｅｒ）効果からの干渉のためにトンネリングエネルギーに影響を与える可能性がある。さらに、キャパシタ８０のキャパシタンスは、一方向に広がる波動関数を減少させるように選択され得ることが理解されるだろう。波動関数の広がりのこの減少は、２組の極小点を切り離すことができ、カプラが前述の２つの基底状態を達成することを可能にする。機能的なカプラは、図３の接合７２〜７５のうちの１つまたは複数が適切な値のインダクタで置き換えられている場合にも構成できることが理解されるだろう。また、適切なインダクタを追加することによって、この回路が相互インダクタンスを介して２つの磁束キュービットを結合することができ、その結果、キュービットとカプラとが互いに電気的に絶縁されることが理解されるだろう。

図５は、２つの磁束キュービット間にＸＸ相互作用を生成するための、複数のジョセフソン接合１５１〜１５６を含む量子回路１５０の別の例である。図３のように２つの磁束キュービットは調整可能ではなく、カプラアセンブリ自体に組み込まれている。しかしながら、一般的には、第１の磁束キュービットの状態は、接合１５３を通過する電流の方向によって表され、第２の磁束キュービットの状態は、接合１５５を通過する電流の方向によって表される。磁束キュービットはカプラと一体であるが、カプラは第１のジョセフソン接合１５１および第２のジョセフソン接合１５２を含むと見なすことができる。しかしながら、任意の数の接合が、複合ジョセフソン接合または調整可能なジョセフソンエネルギーを有する他の要素で置き換えられ得ることが理解されるだろう。例えば製造プロセスにおけるわずかな変動による接合非対称性の存在下では、高純度ＸＸ相互作用のためには調整可能な接合を組み込むことで十分である。

図６は、２つの磁束キュービット２１０および２２０の間にＸＸ相互作用を生成するための量子回路２００のさらに別の例である。図示の実装形態では、各磁束キュービット２１０および２２０は、印加された磁束を介して調整可能であり、その結果、キュービットのエネルギー準位の相対エネルギーおよびエネルギー状態間の障壁高さの一方または両方を調整することができる。第１の磁束キュービット２１０は、磁束量子の公称で半分を囲むループ内に配置された３つのジョセフソン接合２１２〜２１４を含む。第２の磁束キュービット２２０は、磁束量子の公称で半分を囲むループ内に配置された３つのジョセフソン接合２２２〜２２４を含む。

カプラ２３０は、第１の基準ノード２１６および第４の基準ノード２２６の各々に接続された第１のジョセフソン接合２３２と、第２の基準ノード２１７および第５の基準ノード２２７の各々に接続された第２のジョセフソン接合２３３とを備える。第３のジョセフソン接合２３４が第１の基準ノード２１６および第５の基準ノード２２７の各々に接続され、第４のジョセフソン接合２３５が第２の基準ノード２１７および第４の基準ノード２２６の各々に接続されて、カプラは、４つのジョセフソン接合を含む「ねじれたループ」を形成する。キャパシタ２３８は、第３の基準ノード２１８および第６の基準ノード２２８の各々に接続されている。

ジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーは、一般に静的であることが理解されるだろう。一実装形態では、カプラ２３０を構成する１つまたは複数のジョセフソン接合２３２〜２３５は、印加される磁束または他の制御信号を介して調整可能なジョセフソンエネルギーを有する調整可能要素と置き換えられ得る。そのような要素の一例は、複合ジョセフソン接合である。実際には、少なくとも１つの調整可能な接合は、最善の状況下であっても製造プロセスにおけるばらつきを補正するために推奨され、実際には、この目的のために２つの調整可能な接合が使用され得る。一実装形態では、カプラによって形成されたトンネリング経路のトンネリングエネルギーを調整してデバイスによって提供される結合を変更または除去することができるように、ジョセフソン接合２３２〜２３５のすべてを調整可能にすることができる。例えば、トンネリングエネルギーは、ＸＸ結合を排除するためにゼロ近くまで低減することができ、またはＺＺ結合の要素を追加するために等しくないようにすることができる。別の実装形態では、キャパシタ２３８を省略し、ゲート電圧によって制御されるオフセット電荷を使用して、望ましくないトンネリングを抑制し、結合の符号を制御することができる。これはアハラノフ−キャッシャー干渉を介して可能であり、それによって回路内の超伝導アイランド上のオフセット電荷は、極小から他への２つのトンネリング経路間に位相差を引き起こす。オフセット電荷が０．５クーパー対である場合、干渉は破壊的でありトンネリングは起こらない。オフセット電荷が０．５〜１クーパー対である場合、正のＸＸ結合の場合のように、トンネリングエネルギーは負になり、反対称の基底状態になる。

図１〜図６で上述した構造上および機能上の特徴を考慮すると、例示的な方法は、図７を参照してよりよく理解されるだろう。説明を簡単にするために、図７の方法は順次実行されるものとして示され説明されているが、他の例では、いくつかの動作が本明細書に示され記載されたものとは異なる順序で、および／または同時に起こり得るので、本発明は示された順序によって制限されないことを理解されたい。

図７は、２つの磁束キュービットの量子状態を結合するための方法３００の一例を示す。３０２において、第１の磁束キュービットは、容量性および／または相互誘導性および／またはガルバニック相互作用に加えて、少なくとも１つが調整可能である複数のジョセフソン接合を備えるカプラを介して第２の磁束キュービットに電気的に結合される。カプラは、第１および第２のキュービットによって形成されたシステムに関連する第１のペアのエネルギー極小点間の第１のトンネリング経路と、システムに関連する第２のペアのエネルギー極小点間の第２のトンネリング経路とを形成する。一実装形態では、トンネリング経路は、等しいビットパリティを有するシステムの状態を表す極小点間、すなわち状態｜００＞および｜１１＞間および状態｜０１＞および｜１０＞間に形成されている。

３０４において、磁束または電圧を生成する電流などの制御信号が、１つまたは複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに印加されて、第１のトンネリング経路に関連する第１のトンネリングエネルギーおよび第２のトンネリング経路に関連する第２のトンネリングエネルギーを選択する。本発明の一態様によれば、印加された信号を介したトンネリングエネルギーの選択は、カプラの結合挙動を制御することができる。例えば、第１および第２の結合エネルギーが実質的に等しくなるように制御信号が印加されると、第１の磁束キュービットと第２の磁束キュービットとの間にＸＸ結合が生成される。純粋なＸＸ結合を維持するために、１つまたは複数の他の調整可能なジョセフソン接合が制御信号で調整されて、単一キュービットトンネリング効果およびＹＹおよびＺＺ結合が回避されることを確実にすることができる。別の例では、制御信号は、第１および第２の結合エネルギーが等しくならないように印加されて、第１の磁束キュービットと第２の磁束キュービットとの間にＸＸ結合、ＹＹ結合、および／またはＺＺ結合を提供することができる。最後に、第１の磁束キュービットおよび第２の磁束キュービットを選択的に分離するように、第１および第２の結合エネルギーが実質的にゼロに等しくなるように制御信号が印加され得る。従って、カプラによって提供された結合は、量子論理ゲート動作および他の用途のために制御され得る。

以上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のために構成要素または方法の考え得るあらゆる組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、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内に含まれるすべてのそのような代替形態、修正形態、および変形形態を包含することを意図されている。

以上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のために構成要素または方法の考え得るあらゆる組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、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内に含まれるすべてのそのような代替形態、修正形態、および変形形態を包含することを意図されている。
以下に、本開示に含まれる技術思想を付記として記載する。
［付記１］
量子回路アセンブリであって、
少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第１の磁束キュービットと、
少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第２の磁束キュービットであって、第１のキュービットおよび第２のキュービットによって形成されたシステムが結合前に少なくとも４つのポテンシャルエネルギー極小点を有し、前記４つのポテンシャルエネルギー極小点の各々が、前記第１の磁束キュービットおよび前記第２の磁束キュービットを含むシステムの少なくとも１つの固有状態を含むように、少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第２の磁束キュービットと、
前記システムの第１のポテンシャルエネルギー極小点と前記システムの第２のポテンシャルエネルギー極小点との間に第１のトンネリング経路を形成し、前記システムの第３のポテンシャルエネルギー極小点と前記システムの第４のポテンシャルエネルギー極小点との間に第２のトンネリング経路を形成するカプラと
を備え、前記カプラは、等しいビットパリティの状態を表すポテンシャルエネルギー極小点間に前記第１および第２のトンネリング経路を形成し、前記第１のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜０１＞を表し、前記第２のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜１０＞を表し、前記第３のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜００＞を表し、前記第４のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜１１＞を表すようにする、量子回路アセンブリ。
［付記２］
前記カプラは、前記第１および第２のポテンシャルエネルギー極小点の間の第１のトンネリングエネルギーが前記第３および第４のポテンシャルエネルギー極小点の間の第２のトンネリングエネルギーに実質的に等しくなるように、前記第１および第２のトンネリング経路を形成する、付記１の量子回路アセンブリ。
［付記３］
前記カプラは、前記第１の磁束キュービットおよび前記第２の磁束キュービットの各々に動作可能に結合され、かつ前記システムの波動関数の広がりを減少させて、前記システムの第１のポテンシャルエネルギー極小点および前記システムの第２のポテンシャルエネルギー極小点を、前記システムの第３のポテンシャルエネルギー極小点および前記システムの第４のポテンシャルエネルギー極小点から分離する、複数のジョセフソン接合およびキャパシタを含む、付記１に記載の量子回路アセンブリ。
［付記４］
前記第１の磁束キュービットに関連する第１の超伝導位相δ _１ と、前記第２の磁束キュービットに関連する第２の超伝導位相δ _２ と、キャパシタに関連する第３の超伝導位相δ _３ とによって定義される位相基準において、前記カプラは、面δ _３ ＝０内において、線δ _１ ＝δ _２ に沿って正であり、線δ _１ ＝−δ _２ に沿って負であり、面δ _３ ＝π内において、線δ _１ ＝δ _２ に沿って負であり、線δ _１ ＝−δ _２ に沿って正であるポテンシャルエネルギーを前記システムに導入する、付記３に記載の量子回路アセンブリ。
［付記５］
前記カプラは、前記第１の磁束キュービットに関連する第１の基準ノードおよび前記第２の磁束キュービットに関連する第２の基準ノードの各々に結合された第１のジョセフソン接合と、前記第１の磁束キュービットに関連する第３の基準ノードおよび前記第２の磁束キュービットに関連する第４の基準ノードの各々に結合された第２のジョセフソン接合と、前記第１の基準ノードおよび前記第４の基準ノードの各々に結合された第３のジョセフソン接合と、前記第３の基準ノードおよび前記第２の基準ノードの各々に結合された第４のジョセフソン接合とを含む、付記３に記載の量子回路アセンブリ。
［付記６］
前記カプラを構成する前記複数のジョセフソン接合のうちの少なくとも１つは、ジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーが、印加された磁束を介して調整されることができるように、調整可能な素子の一部として実装されている、付記３に記載の量子回路アセンブリ。
［付記７］
前記調整可能な素子は、複合ジョセフソン接合である、付記６に記載の量子回路アセンブリ。
［付記８］
前記カプラを構成する前記複数のジョセフソン接合の各々は、前記印加された磁束を介して前記カプラを選択的に活性化することができるように、調整可能な素子の一部として実装されている、付記６に記載の量子回路アセンブリ。
［付記９］
前記ジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーは、各キュービット内のトンネリング障壁が単一キュービットトンネリング効果を阻むのに十分大きいように調整されている、付記６に記載の量子回路アセンブリ。
［付記１０］
前記カプラは、前記第１のトンネリング経路が、前記第１および第２のポテンシャルエネルギー極小点のいずれかに関連する唯一のトンネリング経路であり、前記第２のトンネリング経路が、前記第３および第４のポテンシャルエネルギー極小点のいずれかに関連する唯一のトンネリング経路であるように構成されている、付記１に記載の量子回路アセンブリ。
［付記１１］
２つの磁束キュービットの量子状態を結合する方法であって、
少なくとも１つの調整可能なジョセフソン接合を備えるカプラを介して第１の磁束キュービットおよび第２の磁束キュービットを電気的に結合して、第１及び第２のキュービットによって形成されたシステムに関連する第１のペアのポテンシャルエネルギー極小点間の第１のトンネリング経路と、前記システムに関連する第２のペアのポテンシャルエネルギー極小点間の第２のトンネリング経路とを形成すること、
前記少なくとも１つの調整可能な接合に制御信号を印加して、前記第１のトンネリング経路に関連する第１のトンネリングエネルギーおよび前記第２のトンネリング経路に関連する第２のトンネリングエネルギーのうちの１つを調整すること
を含む方法。
［付記１２］
前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加することは、第１および第２の結合エネルギーが実質的に等しくなるように前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加して、前記第１の磁束キュービットと前記第２の磁束キュービットとの間のＸＸ結合を提供することを含む、付記１１に記載の方法。
［付記１３］
前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加することは、単一キュービットトンネリング効果が回避されるように前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加することを含む、付記１１に記載の方法。
［付記１４］
前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加することは、第１および第２の結合エネルギーが等しくないように前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加して、前記第１の磁束キュービットと前記第２の磁束キュービットとの間のＸＸ結合およびＺＺ結合を提供することを含む、付記１１に記載の方法。
［付記１５］
前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加することは、前記第１の磁束キュービットと前記第２の磁束キュービットとを選択的に分離するように、第１および第２の結合エネルギーが実質的にゼロに等しくなるように前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加することを含む、付記１１に記載の方法。
［付記１６］
量子回路アセンブリであって、
少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第１の磁束キュービットと、
少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第２の磁束キュービットであって、第１のキュービットおよび第２のキュービットによって形成されたシステムが結合前に少なくとも４つのポテンシャルエネルギー極小点を有し、前記４つのポテンシャルエネルギーの各々が、前記第１の磁束キュービットおよび前記第２の磁束キュービットを含むシステムの量子状態を含むように、少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第２の磁束キュービットと、
複数の調節可能なジョセフソン接合を含み、前記システムの第１のポテンシャルエネルギー極小点と前記システムの第２のポテンシャルエネルギー極小点との間に第１のトンネリング経路を形成し、前記システムの第３のポテンシャルエネルギー極小点と前記システムの第４のポテンシャルエネルギー極小点との間に第２のトンネリング経路を形成するカプラと
を備え、前記カプラは、前記第１のトンネリング経路に関連する第１のトンネリングエネルギーと、前記第２のトンネリング経路に関連する第２のトンネリングエネルギーとを調整するために複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに印加される制御信号を介して調整可能である、量子回路アセンブリ。
［付記１７］
前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束が印加されて、前記第１の磁束キュービットと前記第２の磁束キュービットとの間にＸＸ結合を提供するように、実質的に等しい第１および第２の結合エネルギーを選択する、付記１６に記載の量子回路アセンブリ。
［付記１８］
前記カプラは、前記第１の磁束キュービットおよび前記第２の磁束キュービットの各々に動作可能に結合され、かつ前記システムの波動関数の広がりを減少させて、前記システムの第１のポテンシャルエネルギー極小点および前記システムの第２のポテンシャルエネルギー極小点を、前記システムの第３のポテンシャルエネルギー極小点および前記システムの第４のポテンシャルエネルギー極小点から分離するキャパシタをさらに含む、付記１６に記載の量子回路アセンブリ。
［付記１９］
前記第１の磁束キュービットに関連する第１の超伝導位相δ _１ と、前記第２の磁束キュービットに関連する第２の超伝導位相δ _２ と、キャパシタに関連する第３の超伝導位相δ _３ とによって定義される位相基準において、前記カプラは、面δ _３ ＝０内において、線δ _１ ＝δ _２ に沿って正であり、線δ _１ ＝−δ _２ に沿って負であり、面δ _３ ＝π内において、線δ _１ ＝δ _２ に沿って負であり、線δ _１ ＝−δ _２ に沿って正であるポテンシャルエネルギーを前記システムに導入する、付記１８に記載の量子回路アセンブリ。
［付記２０］
前記カプラは、等しいビットパリティの状態を表すポテンシャルエネルギー極小点間に前記第１および第２のトンネリング経路を形成し、前記第１のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜０１＞を表し、前記第２のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜１０＞を表し、前記第３のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜００＞を表し、前記第４のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜１１＞を表すようにする、付記１６に記載の量子回路アセンブリ。

Claims (20)

1. 量子回路アセンブリであって、
   少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第１の磁束キュービットと、
   少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第２の磁束キュービットであって、第１のキュービットおよび第２のキュービットによって形成されたシステムが結合前に少なくとも４つのポテンシャルエネルギー極小点を有し、前記４つのポテンシャルエネルギー極小点の各々が、前記第１の磁束キュービットおよび前記第２の磁束キュービットを含むシステムの少なくとも１つの固有状態を含むように、少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第２の磁束キュービットと、
   前記システムの第１のポテンシャルエネルギー極小点と前記システムの第２のポテンシャルエネルギー極小点との間に第１のトンネリング経路を形成し、前記システムの第３のポテンシャルエネルギー極小点と前記システムの第４のポテンシャルエネルギー極小点との間に第２のトンネリング経路を形成するカプラと
   を備え、前記カプラは、等しいビットパリティの状態を表すポテンシャルエネルギー極小点間に前記第１および第２のトンネリング経路を形成し、前記第１のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜０１＞を表し、前記第２のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜１０＞を表し、前記第３のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜００＞を表し、前記第４のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜１１＞を表すようにする、量子回路アセンブリ。
2. 前記カプラは、前記第１および第２のポテンシャルエネルギー極小点の間の第１のトンネリングエネルギーが前記第３および第４のポテンシャルエネルギー極小点の間の第２のトンネリングエネルギーに実質的に等しくなるように、前記第１および第２のトンネリング経路を形成する、請求項１の量子回路アセンブリ。
3. 前記カプラは、前記第１の磁束キュービットおよび前記第２の磁束キュービットの各々に動作可能に結合され、かつ前記システムの波動関数の広がりを減少させて、前記システムの第１のポテンシャルエネルギー極小点および前記システムの第２のポテンシャルエネルギー極小点を、前記システムの第３のポテンシャルエネルギー極小点および前記システムの第４のポテンシャルエネルギー極小点から分離する、複数のジョセフソン接合およびキャパシタを含む、請求項１に記載の量子回路アセンブリ。
4. 前記第１の磁束キュービットに関連する第１の超伝導位相δ_１と、前記第２の磁束キュービットに関連する第２の超伝導位相δ_２と、キャパシタに関連する第３の超伝導位相δ_３とによって定義される位相基準において、前記カプラは、面δ_３＝０内において、線δ_１＝δ_２に沿って正であり、線δ_１＝−δ_２に沿って負であり、面δ_３＝π内において、線δ_１＝δ_２に沿って負であり、線δ_１＝−δ_２に沿って正であるポテンシャルエネルギーを前記システムに導入する、請求項３に記載の量子回路アセンブリ。
5. 前記カプラは、前記第１の磁束キュービットに関連する第１の基準ノードおよび前記第２の磁束キュービットに関連する第２の基準ノードの各々に結合された第１のジョセフソン接合と、前記第１の磁束キュービットに関連する第３の基準ノードおよび前記第２の磁束キュービットに関連する第４の基準ノードの各々に結合された第２のジョセフソン接合と、前記第１の基準ノードおよび前記第４の基準ノードの各々に結合された第３のジョセフソン接合と、前記第３の基準ノードおよび前記第２の基準ノードの各々に結合された第４のジョセフソン接合とを含む、請求項３に記載の量子回路アセンブリ。
6. 前記カプラを構成する前記複数のジョセフソン接合のうちの少なくとも１つは、ジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーが、印加された磁束を介して調整されることができるように、調整可能な素子の一部として実装されている、請求項３に記載の量子回路アセンブリ。
7. 前記調整可能な素子は、複合ジョセフソン接合である、請求項６に記載の量子回路アセンブリ。
8. 前記カプラを構成する前記複数のジョセフソン接合の各々は、前記印加された磁束を介して前記カプラを選択的に活性化することができるように、調整可能な素子の一部として実装されている、請求項６に記載の量子回路アセンブリ。
9. 前記ジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーは、各キュービット内のトンネリング障壁が単一キュービットトンネリング効果を阻むのに十分大きいように調整されている、請求項６に記載の量子回路アセンブリ。
10. 前記カプラは、前記第１のトンネリング経路が、前記第１および第２のポテンシャルエネルギー極小点のいずれかに関連する唯一のトンネリング経路であり、前記第２のトンネリング経路が、前記第３および第４のポテンシャルエネルギー極小点のいずれかに関連する唯一のトンネリング経路であるように構成されている、請求項１に記載の量子回路アセンブリ。
11. ２つの磁束キュービットの量子状態を結合する方法であって、
    少なくとも１つの調整可能なジョセフソン接合を備えるカプラを介して第１の磁束キュービットおよび第２の磁束キュービットを電気的に結合して、第１及び第２のキュービットによって形成されたシステムに関連する第１のペアのポテンシャルエネルギー極小点間の第１のトンネリング経路と、前記システムに関連する第２のペアのポテンシャルエネルギー極小点間の第２のトンネリング経路とを形成すること、
    前記少なくとも１つの調整可能な接合に制御信号を印加して、前記第１のトンネリング経路に関連する第１のトンネリングエネルギーおよび前記第２のトンネリング経路に関連する第２のトンネリングエネルギーのうちの１つを調整すること
    を含む方法。
12. 前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加することは、第１および第２の結合エネルギーが実質的に等しくなるように前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加して、前記第１の磁束キュービットと前記第２の磁束キュービットとの間のＸＸ結合を提供することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加することは、単一キュービットトンネリング効果が回避されるように前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加することを含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加することは、第１および第２の結合エネルギーが等しくないように前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加して、前記第１の磁束キュービットと前記第２の磁束キュービットとの間のＸＸ結合およびＺＺ結合を提供することを含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加することは、前記第１の磁束キュービットと前記第２の磁束キュービットとを選択的に分離するように、第１および第２の結合エネルギーが実質的にゼロに等しくなるように前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束を印加することを含む、請求項１１に記載の方法。
16. 量子回路アセンブリであって、
    少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第１の磁束キュービットと、
    少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第２の磁束キュービットであって、第１のキュービットおよび第２のキュービットによって形成されたシステムが結合前に少なくとも４つのポテンシャルエネルギー極小点を有し、前記４つのポテンシャルエネルギーの各々が、前記第１の磁束キュービットおよび前記第２の磁束キュービットを含むシステムの量子状態を含むように、少なくとも２つのポテンシャルエネルギー極小点を有する第２の磁束キュービットと、
    複数の調節可能なジョセフソン接合を含み、前記システムの第１のポテンシャルエネルギー極小点と前記システムの第２のポテンシャルエネルギー極小点との間に第１のトンネリング経路を形成し、前記システムの第３のポテンシャルエネルギー極小点と前記システムの第４のポテンシャルエネルギー極小点との間に第２のトンネリング経路を形成するカプラと
    を備え、前記カプラは、前記第１のトンネリング経路に関連する第１のトンネリングエネルギーと、前記第２のトンネリング経路に関連する第２のトンネリングエネルギーとを調整するために複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに印加される制御信号を介して調整可能である、量子回路アセンブリ。
17. 前記複数の調整可能な接合のうちの少なくとも１つに磁束が印加されて、前記第１の磁束キュービットと前記第２の磁束キュービットとの間にＸＸ結合を提供するように、実質的に等しい第１および第２の結合エネルギーを選択する、請求項１６に記載の量子回路アセンブリ。
18. 前記カプラは、前記第１の磁束キュービットおよび前記第２の磁束キュービットの各々に動作可能に結合され、かつ前記システムの波動関数の広がりを減少させて、前記システムの第１のポテンシャルエネルギー極小点および前記システムの第２のポテンシャルエネルギー極小点を、前記システムの第３のポテンシャルエネルギー極小点および前記システムの第４のポテンシャルエネルギー極小点から分離するキャパシタをさらに含む、請求項１６に記載の量子回路アセンブリ。
19. 前記第１の磁束キュービットに関連する第１の超伝導位相δ_１と、前記第２の磁束キュービットに関連する第２の超伝導位相δ_２と、キャパシタに関連する第３の超伝導位相δ_３とによって定義される位相基準において、前記カプラは、面δ_３＝０内において、線δ_１＝δ_２に沿って正であり、線δ_１＝−δ_２に沿って負であり、面δ_３＝π内において、線δ_１＝δ_２に沿って負であり、線δ_１＝−δ_２に沿って正であるポテンシャルエネルギーを前記システムに導入する、請求項１８に記載の量子回路アセンブリ。
20. 前記カプラは、等しいビットパリティの状態を表すポテンシャルエネルギー極小点間に前記第１および第２のトンネリング経路を形成し、前記第１のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜０１＞を表し、前記第２のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜１０＞を表し、前記第３のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜００＞を表し、前記第４のポテンシャルエネルギー極小点が状態｜１１＞を表すようにする、請求項１６に記載の量子回路アセンブリ。