JP2020510309A - 超伝導量子デバイスを提供する方法、超伝導量子デバイス、単一キュービット、および量子デバイスのエネルギー・システムを提供する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超伝導量子デバイスを提供する。【解決手段】固定周波数トランスモン・キュービットが用意される。調整可能周波数トランスモン・キュービットが用意される。固定周波数トランスモン・キュービットが調整可能周波数トランスモン・キュービットに結合されて単一キュービットを形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、超伝導電子デバイスに関する。

本発明は、一般に、超伝導電子デバイス、より詳細には、２つの結合した異種トランスモンに基づく弱く調整可能なキュービットに関する。

量子コンピュータの基本的な要素は、「キュービット」として知られている量子ビットである。０と１を表す古典的なビットとは対照的に、キュービットは、２つの状態の量子重ね合せを表すこともできる。状態は、２つの状態にある確率として、量子物理学の法則の範囲内で定式化され得る。したがって、状態は、量子物理学の法則の範囲内で操作し観察することができる。

超伝導量子デバイスを提供する方法、超伝導量子デバイス、単一キュービット、および量子デバイスのエネルギー・システムを提供する方法を提供する。

本発明によると、固定周波数トランスモン・キュービットを用意することと、調整可能周波数トランスモン・キュービットを用意することとを含む超伝導量子デバイスを提供する方法が提供される。本方法は、固定周波数トランスモン・キュービットを調整可能周波数トランスモン・キュービットに結合して単一のキュービットを形成することを含む。

本発明を第２の態様から見ると、固定周波数トランスモン・キュービットを含む超伝導量子デバイスと、調整可能周波数トランスモン・キュービットとが用意される。固定周波数トランスモン・キュービットは、調整可能周波数トランスモン・キュービットに結合されて、単一のキュービットを形成する。

本発明を第３の態様から見ると、第１のコンデンサによってシャントされた単一のジョセフソン接合（ＪＪ）を用意することと、第２のコンデンサによってシャントされた非対称の直流超伝導量子干渉デバイス（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）を用意することとを含む単一のキュービットを構成する方法が提供される。本方法は、１つの共有ノードを介して単一のＪＪをｄｃ−ＳＱＵＩＤに接続することを含む。

本発明を第４の態様からを見ると、第１のコンデンサによってシャントされた単一のジョセフソン接合（ＪＪ）トランスモン・キュービットと、非対称直流超伝導量子干渉デバイス（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）を含む単一キュービットとが用意される。非対称ｄｃ−ＳＱＵＩＤは、第２のコンデンサによってシャントされる。

本発明を第５の態様から見ると、調整可能周波数トランスモン・キュービットに結合された固定周波数トランスモン・キュービットとして構成された単一キュービットを提供することを含む単一キュービットのエネルギー・システムを提供する方法が提供される。本方法は、単一キュービットの読出しが、単一キュービットの４番目のエネルギー準位または７番目のエネルギー準位に結合することによって実行されるように構成されるように、単一キュービットのエネルギー・システムをＶエネルギー・システムとして生成することを含む。

固定周波数トランスモン・キュービットは、調整可能周波数トランスモン・キュービットとノードを共有することができ、固定周波数トランスモン・キュービットおよび調整可能周波数トランスモン・キュービットの両方がカップリング・コンデンサを介して容量結合されている。

ここで、本発明の好ましい実施形態が添付の図面を参照して単なる例示として記載される。

本発明を具現化する弱く調整可能なキュービットの回路である。 本発明を具現化するキュービット回路の例示的な実施態様である。 本発明を具現化するキュービット回路の設計例を示す表である。 １つまたは複数の実施形態によるキュービットのＶエネルギー・スペクトル（Ｖシステム）である。 本発明を具現化するキュービットのＶエネルギー・スペクトル（Ｖシステム）である。 本発明を具現化する超伝導電子デバイスを提供する方法のフローチャートである。 本発明を具現化する単一キュービットを構成する方法のフローチャートである。 本発明を具現化する単一キュービットのエネルギー・システムを提供する方法のフローチャートである。

本発明の様々な実施形態は、関連する図面を参照して本明細書に記載される。本発明の他の実施形態は、本文書の範囲から逸脱することなく考案することができる。以下の説明および図面において、要素間の様々な接続および位置関係（例えば、上に、下に、隣接するなど）が述べられていることに留意されたい。これらの接続または位置関係あるいはその両方は、別段の規定がない限り、直接的または間接的であってもよく、この点に関して限定的であることは意図されていない。したがって、エンティティの結合は、直接的または間接的な結合のいずれかを指すことができ、エンティティ間の位置関係は、直接的または間接的な位置関係であってもよい。間接的な位置関係の例として、層「Ｂ」の上に層「Ａ」を形成することへの言及は、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連する特徴および機能性が中間層によって実質的に変化しない限り、１つまたは複数の中間層（例えば層「Ｃ」）が層「Ａ」と層「Ｂ」との間にある状況を含む。

いくつかの物理システムがキュービットの潜在的な実施態様として提案されてきた。しかしながら、固体回路、特に超伝導回路は、それらがより多数の相互作用するキュービットを有する回路を作る可能性であるスケーラビリティを提供するため、非常に興味深い。超伝導キュービットは、典型的には、ジョセフソン接合（ＪＪ）に基づく。ジョセフソン接合は、例えば薄い絶縁バリアによって結合された２つの超伝導体である。ジョセフソン接合は、超伝導電極間にＡｌ_２Ｏ_３などの絶縁性トンネルバリアを用いて製造することができる。そのような超伝導体−絶縁体−超伝導体（ＳＩＳ）ジョセフソン接合については、最大許容超伝導電流は、臨界電流Ｉ_ｃである。（例えば、ジョセフソン接合に基づく）調整可能な臨界電流を有する超伝導キュービットは、量子計算の分野において一般的に有用であり、外部磁場を用いてキュービット周波数を調整することを可能にする、いわゆる超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を用いて実現されている。ＳＱＵＩＤは、２つの並列のＪＪであり、それによって、磁場を印加することができるループを形成する。この構成では、ＳＱＵＩＤは、ｄｃ−ＳＱＵＩＤと呼ばれる。しかしながら、いくつかの問題が、調整可能周波数キュービット、特に、外部磁束の印加によって周波数が調整される超伝導キュービットに関連している。例えば、外部磁場は、ジョセフソン・エネルギーと充電エネルギーとの比を低下させ、それによって、電荷ノイズに対する感度をもたらすことがある。別の例として、磁束の関数としてのキュービットの周波数調整可能性が大きいほど、磁束ノイズに対するキュービットの感度が大きくなり、そのようなノイズがキュービットのコヒーレンス時間を減少させることがある。

量子誤り訂正スキームは、量子ゲート動作を行なうために、互いに結合された、外部制御によって作用を受けるキュービットのアレイに依存する。量子計算、特に計算の量子回路モデルでは、量子ゲート（または量子論理ゲート）は、少数のキュービットで動作する基本的な量子回路である。これらは、古典的な論理ゲートが従来のデジタル回路向けであるように、量子回路の基本的構成要素である。最も一般的な量子ゲートは、ちょうど一般的な古典的論理ゲートが１つまたは２つのビットで動作するように、１つまたは２つのキュービットの空間で動作する。

固定周波数超伝導トランスモン・キュービットおよびマイクロ波交差共振ゲートは、そのようなシステムのための簡単で堅牢なアーキテクチャを提供するが、これらは、隣接するキュービットの相対周波数に非常に敏感である。これらの周波数は、キュービット内のジョセフソン接合の詳細なナノ構造に非常に敏感である。実際に、固定周波数５ＧＨｚのキュービットは、約プラスマイナス（±）４％よりも良好な周波数精度で用意するのが困難である。（対称または非対称ジョセフソン接合を有するｄｃ−ＳＱＵＩＤに基づく）磁束調整可能なトランスモン・キュービット設計は、ゲート動作を最適化するために周波数を調整する能力を提供する。しかしながら、調整可能性の範囲は、非常に小さくされるべきであり（特に、１つまたは複数の実施形態によると約１００ＭＨｚ）、さもなければ調整可能性は、磁束ノイズの作用を通して量子状態離調に対する感度を増加させる。同時に、いかなる調整可能周波数キュービット設計においてもジョセフソン接合は、接合サイズに対する特定の限界を超えてはならない。接合サイズが大きすぎると、接合の製造が複雑になり、望ましくない接合容量が付加され、または２準位系ディシペータなどのランダムに発生する欠陥が組み込まれ、あるいはその組合せが生じる可能性がある。本発明の１つまたは複数の実施形態は、過度の接合サイズを必要とせずに、１００ＭＨｚ未満の調整範囲を達成するように構成された修正されたトランスモン・キュービット設計を提供する。

最先端技術の調整可能トランスモン・スキームにおける様々な限界について以下に論じる。上記したように、トランスモン・キュービットは、典型的には、臨界電流Ｉ_ｃ１を有する単一のジョセフソン接合を使用する。臨界電流を調整可能にする場合、ＳＱＵＩＤループにおいて、Ｉ_ｃ３＞Ｉ_ｃ２である、１対の臨界電流Ｉ_ｃ２およびＩ_ｃ３のジョセフソン接合を使用するスキームが用いられる。外部磁場コイル（図示せず）は、ループ内の磁束を調整し、接合の混合される臨界電流を比２Ｉ_ｃ２／（Ｉ_ｃ２＋Ｉ_ｃ３）に等しい割合で調整することを可能にする。キュービット周波数は、臨界電流の平方根にほぼ比例し、したがって、調整可能性は、臨界電流の比Ｉ_ｃ３／Ｉ_ｃ２に依存し、これは、ジョセフソン接合面積の比に直接依存する。したがって、この最先端技術の調整可能なスキームは、いくつかの限界を有する。

１）接合サイズに対する製造限界。電子ビーム・リソグラフィを使用する現在の製造システムでは、約６０ナノメートル（ｎｍ）×６０ｎｍ（または３６００平方ナノメートル（ｎｍ^２））よりも小さなジョセフソン接合を確実に作るのは難易度が高い。より一般的には、接合は、約９０ｎｍ×９０ｎｍ（例えば、８１００ｎｍ^２）の面積で作られる。（１つまたは複数の実施形態において提供されるような）１００ＭＨｚの調整可能性を達成するためには、６０ｎｍ×６０ｎｍまたは９０ｎｍ×９０ｎｍの接合によって提供されるＩ_ｃ２と、Ｉ_ｃ２の接合面積よりも５０倍大きい接合面積、すなわち４２４ｎｍ×４２４ｎｍまたは６３６ｎｍ×６３６ｎｍ（例えば、それぞれ１８０，０００ｎｍ^２または４０５，０００ｎｍ^２）によって提供されるＩ_ｃ３とが必要となる。実際、これらの異なる接合面積を同じデバイス内に同時に作るのは困難である。面積で１５：１の比（これは約３３０ＭＨｚの調整可能性をもたらす）は、最先端技術においてより一般的に達成される。

２）接合容量。トランスモン設計は、デバイスの電荷分散を減らし、局所的な電荷ノイズの影響を受けないように大きな容量で接合をシャントすること(shunting)に依存する。この容量は、フォトリソグラフィで画定される特徴によって注意深く制御することができ、約６５フェムトファラッド（ｆＦ）とすることができる。接合も、約４ｆＦの量の容量に寄与する。接合をさらに大きくするために接合を再設計する場合、これらの接合は、キュービットに過剰な望ましくない容量をもたらす。

３）接合内に含まれる欠陥。２準位系（ＴＬＳ）欠陥が接合バリア誘電体の非晶質構造内に生じる可能性がある。周波数がキュービットに近接している接合内のこれらの欠陥のいずれもが、キュービットに結合し、キュービットのコヒーレンスを劣化させる。サイズ１００，０００ｎｍ^２の典型的な接合は、３ＧＨｚごとに１のエネルギー密度でそのような欠陥を組み込むことが推定される。したがって、接合は、そのような欠陥の５０ＭＨｚ以内にある確率が約６０分の１である。しかしながら、ＴＬＳの個体数は、面積に直接比例し、その結果、４０５，０００ｎｍ^２の接合は、約１５分の１の確率を有することになる。ＴＬＳ結合を回避したい場合は、接合を小さくしておかなければならない。

本発明の実施形態は、最先端技術の設計スキームの限界に対処する。本発明の１つまたは複数の実施形態によると、弱く調整可能なキュービットを作成するための構造および方法が提供される。弱く調整可能なキュービットは、単一接合トランスモンを非対称ｄｃ−ＳＱＵＩＤトランスモンに容量結合することによって、キュービット周波数、適度な非調和性、および小さな電荷分散という主要なトランスモン特性を維持するように構成される。非対称ｄｃ−ＳＱＵＩＤトランスモン・ループを通り抜ける外部磁束Φ_ｅｘｔを調整することによって、非対称ｄｃ−ＳＱＵＩＤ発振器の共振周波数が変化し、容量結合またはインピーダンス負荷あるいはその両方のために、非対称ｄｃ−ＳＱＵＩＤ発振器の共振周波数の変化が、共振周波数が調整不能トランスモン・キュービットによって支配されているキュービットの共振周波数（すなわちキュービット周波数）のシフトを引き起こす。そのようなキュービットの周波数シフトは、単一ＪＪトランスモン周波数のχシフトの観点から説明することができる。

ここで図を参照すると、図１は、本発明の１つまたは複数の実施形態による弱く調整可能なキュービット１００の回路である。キュービット１００は、キュービット回路１００の共振周波数（すなわちキュービット周波数ｆ_ｑ）の調整可能な範囲が縮小または制限される（すなわち、弱く調整可能な）ため、弱く調整可能であり、それによって、他のキュービット回路または動作周波数あるいはその両方との周波数衝突を回避することができ、同時に、磁束ノイズに対するキュービットの感度を低下させる。当業者には理解されるように、キュービット回路１００は、アレイまたはマトリックスで他のキュービット回路１００に結合され、それによって、量子計算プロセッサを形成することを理解されたい。一部の実施形態では、共振周波数（すなわちキュービット周波数ｆ_ｑ）の調整可能範囲は、約１００ＭＨｚである。他の実施形態では、キュービット１００の共振周波数は、１００ＭＨｚ未満の調整範囲で調整可能である。本発明の他の実施形態では、キュービット１００の共振周波数は、５０ＭＨｚ以下の調整範囲で調整可能である。本発明の実施形態の調整可能性は、上で論じた問題に悩まされることなく、最先端技術の調整可能トランスモン・キュービット（約３００ＭＨｚ）よりもはるかに小さいことを認識されたい。調整可能とは、キュービット１００のキュービット周波数ｆ_ｑをある特定の量（ＭＨｚ）だけ増減させることが可能であることを意味し、この範囲が本発明の実施形態による新しい設計では制限／縮小されており、それによって調整可能キュービット１００を弱く調整可能にする。例えば、キュービット１００のキュービット周波数ｆ_ｑが、例えば１００ＭＨｚの調整可能性を有する４．５ＧＨｚである場合、キュービット１００のキュービット周波数は、４．４５ＧＨｚの低さから４．５５ＧＨｚの高さまで調整することができる。

キュービット１００は、固定周波数トランスモン・キュービット１１０Ａおよび調整可能周波数トランスモン・キュービット１１０Ｂを含み、これらは、１つの電極を共有し、カップリング・コンデンサＣｃ１２０を介して互いに結合されている。トランスモン・キュービット１１０Ａは、Ｉ_ｃ１で示される臨界電流を有する単一のＪＪ１０２を含む。トランスモン・キュービット１１０Ａは、固定周波数キュービットであり、調整可能ではない。トランスモン・キュービット１１０Ａ内の単一のＪＪ１０２は、コンデンサＣ_１１２２によってシャントされている(shunted)。

トランスモン・キュービット１１０Ｂは、コンデンサＣ_２１２４によってシャントされた非対称ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０４を含む。弱く調整可能なキュービット１００では、コンデンサＣ_１１２２は、コンデンサＣ_２１２４よりも大きな値を有する。非対称ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０４は、ループ状に互いに接続されたＪＪ１０５ＡとＪＪ１０５Ｂとによって形成されている。非対称ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０４は、非対称ｄｃ−ＳＱＵＩＤトランスモン・ループを通り抜ける外部磁束Φ_ｅｘｔによって調整可能である。ＪＪ１０５Ａは、より大きなＪＪ１０５Ｂよりも小さい面積を有するより小さなジョセフソン接合（すなわち、超伝導体−絶縁体−超伝導体）である。ＪＪ１０５Ａは、臨界電流Ｉ_ｃ２を有し、ＪＪ１０５Ｂは、臨界電流Ｉ_ｃ３を有する。ＪＪ１０５ＢがＪＪ１０５Ａよりも大きいため、超伝導臨界電流Ｉ_ｃ３は、臨界電流Ｉ_ｃ２よりも大きい。一実施態様では、臨界電流Ｉ_ｃ１およびＩ_ｃ２は、ほぼ等しくてもよい。

見て分かるように、新しいキュービット１００は、２つのトランスモン・キュービット１１０Ａと１１０Ｂとを互いに結合することによって形成されているが、キュービット１００は、規定された遷移周波数（すなわちキュービット周波数ｆ_ｑ）を有する単一のキュービットとして振る舞う／機能する。調整可能周波数トランスモン１１０Ｂ内の非対称ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０４と固定周波数トランスモン１１０Ａ内の単一ＪＪ１０２とを組み合わせることで、キュービット１００は、縮小または制限された調整可能範囲を有することになる。例えば、固定の単一ＪＪ１０２（トランスモン・キュービット１１０Ａ）およびｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０４（トランスモン・キュービット１１０Ｂ）の両方の共振周波数は、キュービット１００の共振周波数ｆ_ｑに寄与するが、調整可能でない固定の単一ＪＪ１０２の共振周波数は、共振周波数ｆ_ｑに対してより支配的な効果を有する。ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０４内に異なるＪＪ１０５Ａおよび１０５Ｂを有することによって、制限された調整可能性がキュービット１００に導入される。ｄｃ−ＳＱＵＩＤを含む典型的な調整可能トランスモンと比較して、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０４が全体の臨界電流に対して部分的にしか寄与せず、固定の単一ＪＪ１０２が共振周波数に支配的な寄与をするため、キュービット１００の調整可能範囲が制限される。

キュービット回路１００の回路要素は、超伝導材料で作られている。超伝導材料（約１０〜１００ミリケルビン（ｍＫ）、または約４Ｋなどの低温での）の例には、ニオブ、アルミニウム、タンタルなどが含まれる。例えば、ＪＪ１０２、１０５Ａ、および１０５Ｂは、超伝導材料で作られ、これらのトンネル接合は、酸化物などの薄いトンネルバリアで作ることができる。コンデンサＣ_１、Ｃ_２、およびＣ_Ｃは、誘電体材料によって分離された超伝導材料で作られている。様々な要素を接続するワイヤは、超伝導材料で作られている。

図２は、１つまたは複数の実施形態によるキュービット回路１００の例示的な実施態様である。図２では、キュービット回路１００は、２つの大きな超伝導パッド２０２Ａおよび２０２Ｂを含む。単一ＪＪ１０２は、２つの大きなパッド２０２Ａおよび２０２Ｂに接続されている。コンデンサＣ_１１２２は、２つの大きなパッド２０２Ａと２０２Ｂとの間に形成されている。

ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０４は、１つの大きなパッド、例えば大きな超伝導パッド２０２Ａに接続され、かつ小さな超伝導パッド２０４に接続されている。小さなパッド２０４は、大きなパッド２０２Ａよりも小さい。コンデンサＣ_２１２４は、大きなパッド２０２Ａと小さなパッド２０４との間に形成されている。カップリング・コンデンサＣ_Ｃ１２０は、大きなパッド２０２Ａと小さなパッド２０４との間に形成されている。簡単にするため図示されていないが、キュービット回路１００は、ウエハなどの基板上に形成することができる。ウエハは、微細加工において使用されるシリコンウエハ、サファイア・ウエハ、または他の基板材料とすることができる。

図２は、単に一例示的な実施態様であり、キュービット回路１００の他の実施態様があることが理解される。回路要素の様々なパラメータは、１つまたは複数の実施形態に従って所望の結果を達成するために修正することができる。パッド２０２Ａ、２０２Ｂ、２０４の位置、パッド２０２Ａ、２０２Ｂ、２０４のサイズ、またはパッド２０２Ａ、２０２Ｂ、２０４間の距離、あるいはその組合せには修正形態があり得る。パッド２０２Ａ、２０２Ｂ、２０４間の距離は、コンデンサＣ_Ｃ、Ｃ_１、Ｃ_２の値に影響を与える。

限定ではなく説明のために、図３は、１つまたは複数の実施形態によるキュービット回路１００のある特定の設計例の計算されたキュービット特性を示す表１である。本設計例では、Ｉ_Ｃ１＝Ｉ_Ｃ２＝２７ナノアンペア（ｎＡ）およびＩ_Ｃ３＝８１ｎＡである。また、コンデンサについては、Ｃ_１＝５５ｆＦ、Ｃ_２＝２０ｆＦ、およびＣ_Ｃ＝２５ｆＦである。本設計例において、調整可能範囲は、４８ＭＨｚであり、これは、キュービット１００のキュービット周波数ｆ_ｑをキュービットの平均的な周波数の上下に２４ＭＨｚ調整できることを意味する。

本設計例について、表１は、キュービット１００のキュービット特性を表す。キュービット特性は、非対称ｄｃ−ＳＱＵＩＤトランスモン・ループを通り抜ける外部磁束Φ_ｅｘｔの２つのケースについて示されている。第１のケースでは、外部磁束Φ_ｅｘｔは、０であり、これは、磁束がループを通り抜けないことを意味する。第２のケースでは、外部磁束Φ_ｅｘｔは、２分の１磁束量子として知られているΦ_０／２に等しく、ここで、Φ_０は１磁束量子である。（超伝導）磁束量子は、プランク定数ｈと電子電荷ｅの基本的な物理定数の組合せであるΦ_０＝ｈ／（２ｅ）であり、２．０６７８×１０^−１５Ｗｂに等しい。

本設計例では、キュービット周波数ｆ_ｑは、調整された場合でさえ、一般に４〜５ＧＨｚである所望の動作範囲内に留まる。この周波数範囲は、キュービットが希釈冷凍機内で動作するときキュービット状態の熱的占有を回避するのに十分高く、一方でまた、ほとんどのスプリアスマイクロ波共振を回避し、容易に利用可能なマイクロ波エレクトロニクスによる動作を促進するのに十分低いため、超伝導キュービットにおいて一般的に使用されている。本設計例は、典型的に利用される４〜５ＧＨｚのマイクロ波範囲にあることが意図されているが、キュービット周波数は、他の周波数でもよいことを認識されたい。表１に列挙された他の特性のうち、非調和性は、キュービット・エネルギー・スペクトルにおける連続的なエネルギー準位の明確さの尺度である。２００ＭＨｚを超える非調和性が、キュービットの第１および第２のエネルギー遷移を明確に区別するために望ましい（しかし必須ではない）。キュービットの電荷分散は、外部電荷によって調整されるキュービットの能力を示す。そのような挙動は、キュービットシステム内の電荷ノイズがランダムな調整を引き起こし、デコヒーレンスにつながる可能性があるため望ましくない。いかなる機能的なキュービット状態でも、小さな電荷分散（１００ｋＨｚをはるかに下回る）が好ましい（しかし必須ではない）。表１の最後の行は、図４および図５で述べた挙動に関する。

図４は、１つまたは複数の実施形態によるキュービット１００のＶエネルギー・スペクトル（Ｖシステム）である。Ｖシステムは、動作点Φ_ｅｘｔ＝０に対して描かれている。図４では、Ｖシステムは、キュービット１００の読出しのための経路であるエネルギー準位を示す。キュービット１００の量子状態は、０エネルギー、１番目のエネルギー準位、または４番目のエネルギー準位にあってもよい。キュービット１００の量子状態は、これらの準位間に存在する結合項に起因して０エネルギー準位（すなわち、基底状態）と１番目のエネルギー準位との間を交互に遷移することができる。同様に、キュービット１００の量子状態は、０エネルギー準位（すなわち、基底状態）と４番目のエネルギー準位との間を交互に遷移することもできる。

読出し共振器（図示せず）は、当業者には理解されるように、キュービット１００の状態を推測する（すなわち、読み出す）ためにキュービット１００に結合することができる。Ｖシステムは、読出し共振器が、キュービット１００の４番目のエネルギー準位に対応することができる読出し共振周波数ｆ_ｒを有することができることを表す。本例では、キュービット１００の４番目のエネルギー準位は、約１４．６ＧＨｚである。したがって、読出し共振器は、キュービット１００の量子状態を読み出すために、約ｆ_ｒ＝１４．６ＧＨｚの読出し共振器周波数を有することができる。読出しは、共振器に共振器周波数で共振している電磁場を照射し、共振器を出る信号の強度を観察することによって行なうことができる。強度が弱い場合、測定結果は「０」であるが、強度が強い（明るい）場合、結果は「１」である。

図５は、１つまたは複数の実施形態によるキュービット１００のＶエネルギー・スペクトル（Ｖシステム）である。Ｖシステムは、動作点Φ_ｅｘｔ＝Φ_０／２に対して描かれている。上記したように、図５のＶシステムは、キュービット１００の読出しのための経路であるエネルギー準位を表す。しかしながら、図５は、７番目のエネルギー準位を示す。したがって、キュービット１００の量子状態は、０エネルギー、１番目のエネルギー準位、または７番目のエネルギー準位にあってもよい。キュービット１００の量子状態は、これらの準位間に存在する結合項に起因して０エネルギー準位（すなわち基底状態）と１番目のエネルギー準位との間を交互に遷移することができる。同様に、キュービット１００の量子状態は、０エネルギー準位（すなわち基底状態）と７番目のエネルギー準位との間を交互に遷移することもできる。

上記したように、読出し共振器（図示せず）は、当業者によって理解されるように、キュービット１００の状態を推測する（すなわち、読み出す）ためにキュービット１００に結合することができる。この場合、Ｖシステムは、読出し共振器が、キュービット１００の７番目のエネルギー準位に対応することができる読出し共振周波数ｆ_ｒを有することができることを表す。本例では、キュービット１００の７番目のエネルギー準位は、約２５．４６ＧＨｚである。したがって、読出し共振器は、キュービット１００の量子状態を読み出すために約ｆ_ｒ＝２５．４６ＧＨｚの読出し共振器周波数を有することができる。読出しは、４番目のエネルギー準位の場合について上述したのと同じやり方で行なうことができる。

図６は、本発明の１つまたは複数の実施形態による超伝導量子（電子）デバイス（すなわち、キュービット回路１００）を提供する方法のフローチャート６００である。図１〜図５を参照することができる。

ブロック６０２では、固定周波数トランスモン・キュービット１１０Ａが用意される。ブロック６０４では、調整可能周波数トランスモン・キュービット１１０Ｂが用意される。ブロック６０６では、固定周波数トランスモン・キュービット１１０Ａを、共有ノードを介して調整可能周波数トランスモン・キュービット１１０Ｂに接続し、これらを容量結合することによって単一のキュービット１００が形成される。

固定周波数トランスモン・キュービット１１０Ａおよび調整可能周波数トランスモン１１０Ｂは、１つのノードを共有し、カップリング・コンデンサＣ_Ｃ１２０を介して容量結合されている。固定周波数トランスモン・キュービット１１０Ａは、第１のコンデンサＣ_１１２２によってシャントされた単一のＪＪから構成されている。調整可能周波数トランスモン・キュービット１１０Ｂは、第２のコンデンサＣ_２１２４によってシャントされた非対称の直流超伝導量子干渉デバイス（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）１０４から構成され、その容量は、第１のコンデンサ１２２よりも小さい。ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０４は、２つのジョセフソン接合（ＪＪ）を含み、２つのＪＪは、第１のＪＪ１０５Ｂおよび第２のＪＪ１０５Ａである。第１のＪＪ１０５Ｂは、第２のＪＪ１０５Ａよりも大きい。

単一キュービット１００のキュービット周波数ｆ_ｑは、（±）約１５０ＭＨｚ、１００ＭＨｚ、７５ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、または約２５ＭＨｚ、あるいはその組合せの範囲で（上または下に）調整されるように構成されている。単一キュービット１００のキュービット周波数ｆ_ｑのシフトは、調整可能周波数トランスモン・キュービット１１０Ｂに基づき、またはそれによって引き起こされ、あるいはその両方による。

図７は、本発明の１つまたは複数の実施形態による単一キュービット１００を構成する方法のフローチャート７００である。図１〜図６を参照することができる。ブロック７０２では、固定周波数トランスモン１１０Ａを形成するために第１のコンデンサＣ_１１２２によってシャントされた単一のジョセフソン接合（ＪＪ）１０２が用意される。ブロック７０４では、調整可能周波数トランスモン１１０Ｂを形成するために、非対称の直流超伝導量子干渉デバイス（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）１０４が第２のコンデンサＣ_２１２４によってシャントされる。ブロック７０６では、固定周波数トランスモン１１０Ａが１つの共有ノードおよびカップリング・コンデンサ１２０を介して調整可能周波数トランスモン１１０Ｂに接続される。例えば、単一のＪＪ１０２は、１つの共有ノードを介してｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０４に接続される。さらに、２つのキュービットは、１つの電極（ノード）を共有し、カップリング・コンデンサＣ_Ｃ１２０を介して容量結合される。

図８は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、読出しのための単一キュービット１００のエネルギー・システムを提供する方法のフローチャート８００である。ブロック８０２では、単一キュービット１００は、調整可能周波数トランスモン・キュービット１１０Ｂに結合された固定周波数トランスモン・キュービット１１０Ａとして構成される。ブロック８０４では、キュービット１００は、（読出し共振器を介した）単一キュービット１００の読出しが単一キュービット１００の４番目のエネルギー準位または７番目のエネルギー準位に結合することによって行なわれるように構成されるように、単一キュービットのエネルギー・システムを（図４および図５のような）Ｖエネルギー・システムとして生成するように構成される。

技術的効果および利点は、超伝導の弱く調整されたキュービットを含む。技術的な利点は、典型的な４〜５ＧＨｚの範囲において、１０^−５〜１０^−６ＧＨｚの範囲の小さな電荷分散である、ほぼ４．８ＧＨｚのキュービット周波数をさらに含む。技術的な利点は、状態０−１をキュービットとして使用することができるように、ほぼ２６０ＭＨｚの適度な非調和性を含む。弱く調整されたキュービットは、トランスモンと同じ製造プロセスを使用することができ、したがって、余分な製造工程を必要としない。弱く調整されたキュービットは、典型的なキュービットと同様の占有面積を有し、新しいキュービットは、より広い面積を占有しない。技術的な利点は、弱く調整されたキュービットが約５０ＭＨｚの範囲で弱く調整可能であることを含み、したがって、他のキュービットからの周波数の混雑を回避することができる。弱く調整されたキュービットは、磁束ノイズに対する感度が低下している。また、本キュービットは、約１：３の小さなＪＪ非対称を有し、これは、より少ないＴＬＳを意味し、同様の接合面積を有するため、確実に製造することができる。さらに、弱く調整されたキュービットは、ＳＱＵＩＤループを通り抜ける磁束バイアスΦ_ｅｘｔ＝ｎΦ_０に対して、エネルギー状態準位０−１間およびエネルギー状態準位０−４間を単一光子が遷移するＶシステムを有し、ここで、ｎ＝０、±１、±２、±３などである。別のＶシステムは、ＳＱＵＩＤループを通り抜ける磁束バイアスΦ_ｅｘｔ＝（ｎ＋１／２）Φ_０に対して、エネルギー状態準位０−１間およびエネルギー状態準位０−７間の単一光子が遷移することによって形成され、ここで、ｎ＝０、±１、±２、±３などである。４番目の状態は、４番目の状態を読出し共振器に共振結合することによって高速の状態読出しを行なうために使用することができる。

「約」という用語およびその変形形態は、本出願を申請する時点で利用可能な装置に基づく特定の量の測定に関連付けられた誤差の程度を含むことが意図されている。例えば、「約」は、所与の値の±８％もしくは５％、または２％の範囲を含むことができる。

本発明の態様は、本発明の実施形態による方法、装置（システム）、およびコンピュータ・プログラム製品のフローチャート図またはブロック図あるいはその両方を参照して本明細書に記載されている。フローチャート図またはブロック図あるいはその両方の各ブロック、ならびにフローチャート図またはブロック図あるいはその両方のブロックの組合せは、コンピュータ可読プログラム命令によって実施することができることを理解されよう。

図中のフローチャートおよびブロック図は、本発明の様々な実施形態による、システム、方法およびコンピュータ・プログラム製品の可能な実施態様のアーキテクチャ、機能性、および動作を示す。この点に関して、フローチャートまたはブロック図の各ブロックは、指定された論理機能を実施するための１つまたは複数の実行命令を含むモジュール、セグメント、または命令の一部を表すことができる。一部の代替の実施態様では、ブロックに示された機能は、図に示された順序とは異なって発生することができる。例えば、連続して示されている２つのブロックは、実際には、実質的に同時に実行されてもよく、またはブロックは、含まれている機能性に応じて、時には逆の順序で実行されてもよい。ブロック図またはフローチャート図あるいはその両方の各ブロック、およびブロック図またはフローチャート図あるいはその両方のブロックの組合せは、指定された機能もしくは行為を実行するか、または特殊目的のハードウェアおよびコンピュータ命令の組合せを実行する特殊目的のハードウェア・ベースのシステムによって実施することができることも留意されたい。

本発明の様々な実施形態の説明は、例示を目的として提示されたが、網羅的であること、または論じた実施形態に限定されることは意図されていない。多くの変更および変形は、記載された実施形態の範囲から逸脱することなく当業者には明らかであろう。本明細書に使用された術語は、実施形態の原理、市場で見出される技術に対する実用化または技術的改善を最もよく説明するために、または当業者が本明細書で論じた実施形態を理解することができるように選択された。

Claims (26)

1. 超伝導量子デバイスを提供する方法であって、前記方法が、
   固定周波数トランスモン・キュービットを用意することと、
   調整可能周波数トランスモン・キュービットを用意することと、
   前記固定周波数トランスモン・キュービットを前記調整可能周波数トランスモン・キュービットに結合することと
   を含む、方法。
2. 前記固定周波数トランスモン・キュービットが前記調整可能周波数トランスモン・キュービットとノードを共有し、前記固定周波数トランスモン・キュービットおよび前記調整可能周波数トランスモン・キュービットの両方がカップリング・コンデンサを介して容量結合されている、請求項１に記載の方法。
3. 前記固定周波数トランスモン・キュービットが第１のコンデンサによってシャントされている、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記調整可能周波数トランスモン・キュービットが第２のコンデンサによってシャントされている、請求項３に記載の方法。
5. 前記第１のコンデンサが前記第２のコンデンサよりも大きな値を有する、請求項４に記載の方法。
6. 前記調整可能周波数トランスモン・キュービットが直流超伝導量子干渉デバイス（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）である、請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
7. 前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤが非対称である、請求項６に記載の方法。
8. 前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤが２つのジョセフソン接合（ＪＪ）を含み、前記２つのＪＪが第１のＪＪおよび第２のＪＪである、請求項５または７に記載の方法。
9. 前記第１のＪＪが前記第２のＪＪよりも大きい、請求項８に記載の方法。
10. 単一キュービットのキュービット周波数がシフトされるように構成されている、請求項１ないし９のいずれかに記載の方法。
11. 前記単一キュービットの前記キュービット周波数のシフトが前記調整可能周波数トランスモン・キュービットの周波数シフトによって引き起こされる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記固定周波数トランスモン・キュービットが単一のジョセフソン接合を含む、請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記固定周波数トランスモン・キュービットと前記調整可能周波数トランスモン・キュービットとの結合が単一キュービットを形成する、請求項１に記載の方法。
14. 固定周波数トランスモン・キュービットと、
    調整可能周波数トランスモン・キュービットとを備え、前記固定周波数トランスモン・キュービットが前記調整可能周波数トランスモン・キュービットに結合されている、
    超伝導量子デバイス。
15. 前記固定周波数トランスモン・キュービットおよび前記調整可能周波数トランスモン・キュービットが１つのノードを共有し、カップリング・コンデンサを介して容量結合されている、請求項１４に記載の量子デバイス。
16. 前記固定周波数トランスモン・キュービットが第１のコンデンサによってシャントされている、請求項１４または１５に記載の量子デバイス。
17. 前記調整可能周波数トランスモン・キュービットが第２のコンデンサによってシャントされている、請求項１６に記載の量子デバイス。
18. 前記第１のコンデンサが前記第２のコンデンサよりも大きな値を有する、請求項１７に記載の量子デバイス。
19. 前記調整可能周波数トランスモン・キュービットが直流超伝導量子干渉デバイス（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）である、請求項１４ないし１８のいずれかに記載の量子デバイス。
20. 前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤが非対称である、請求項１９に記載の量子デバイス。
21. 前記ｄｃ−ＳＱＵＩＤが２つのジョセフソン接合（ＪＪ）を含み、前記２つのＪＪが第１のＪＪおよび第２のＪＪである、請求項１９または２０に記載の量子デバイス。
22. 前記第１のＪＪが前記第２のＪＪよりも大きい、請求項２１に記載の量子デバイス。
23. 前記固定周波数トランスモン・キュービットが単一のジョセフソン接合を備える、請求項１４ないし２２のいずれかに記載の量子デバイス。
24. 前記固定周波数トランスモン・キュービットと前記調整可能周波数トランスモン・キュービットとの間の前記結合が単一キュービットを形成する、請求項１４ないし２３のいずれかに記載の量子デバイス。
25. 請求項１６、１７および１９に従属する場合の請求項２４に記載の量子デバイスを含む単一キュービット。
26. 請求項１４に従属する場合の請求項２４に記載の量子デバイスのエネルギー・システムを提供する方法であって、前記方法が、
    前記単一キュービットの読出しが前記単一キュービットの４番目のエネルギー準位または７番目のエネルギー準位に結合することによって実行されるように構成されるように、前記単一キュービットの前記エネルギー・システムをＶエネルギー・システムとして生成すること
    を含む、方法。

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