JP2020520488A - 駆動および読み出し集積回路アセンブリ、駆動および読み出し集積回路アセンブリを形成する方法、ライブおよびランダム集積回路アセンブリを備えるチップ、量子ビット共振器システムを駆動する方法、ならびに駆動およびランダム集積回路アセンブリを介して、量子ビット共振器システムから読み出す方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動および読み出し集積回路アセンブリを提供すること。【解決手段】方向性結合器が、量子ビット共振器システムに接続されるように構成される。ダイプレクサが、方向性結合器に結合される。マイクロ波信号コンバイナが、ダイプレクサに結合される。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、超伝導電子デバイスに関連しており、より詳細には、超伝導量子ビット用の駆動および読み出し集積回路（integrated drive and readout circuits）に関連している。

量子コンピュータの基本要素は、「量子ビット（qubit）」として知られている量子ビット（quantum bit）である。０および１を表す従来のビットとは対照的に、量子ビットは、２つの状態の量子重ね合わせを表すこともできる。それらの状態は、２つの状態にある確率として、量子物理学の法則内で形式化され得る。したがって、それらの状態は、量子物理学の法則内で操作され、観察され得る。

空洞量子電磁力学では、量子コンピューティングは、量子情報をマイクロ波周波数で操作および格納するための非線形超伝導デバイス（すなわち、量子ビット）、および量子ビットを読み出し、量子ビット間の相互作用を容易にするための（例えば、２次元（２Ｄ：two-dimensional）平面導波管として、または３次元（３Ｄ：three-dimensional）マイクロ波空洞として）共振器を採用する。１つの例として、各超伝導量子ビットは、接合と並列なコンデンサによって分流された１つまたは複数のジョセフソン接合を含むことができる。量子ビットは、例えば２Ｄまたは３Ｄマイクロ波空洞などの共振器に、容量結合される。

量子ビットに関連付けられた電磁エネルギーは、ジョセフソン接合、ならびに量子ビットを形成する容量性素子および誘導性素子に蓄積される。１つの例では、量子ビット状態を読み出すために、量子ビット状態に対応する空洞周波数で、量子ビットに結合されたマイクロ波読み出し空洞（microwave readout cavity）に、マイクロ波信号が加えられる。送信された（または反射された）マイクロ波信号は、ノイズを遮断または低減し、信号対ノイズ比を改善するために必要な、複数の断熱段および低ノイズ増幅器を通過する。マイクロ波信号は、室温で測定される。読み出しマイクロ波信号（readout microwave signal）の振幅または位相（あるいはその両方）は、読み出し方式に応じて、量子ビット状態に関する情報を運ぶことができる。この読み出し信号は、室温の電子工学を使用して測定され、分析され得る。マイクロ波の読み出しは、制御用の安定した信号振幅を提供し、民生（ＣＯＴＳ：commercial off-the-shelf）ハードウェアを利用して使用することができる。

超伝導量子ビットなどの量子システムは、特にマイクロ波領域および赤外線領域において、電磁ノイズに非常に敏感である。マイクロ波ノイズおよび赤外線ノイズからこれらの量子システムを保護するために、フィルタリング、減衰、および分離の複数の層が適用される。入出力（Ｉ／Ｏ：input and output）線（伝送線とも呼ばれる）で採用される保護の層に、特別な関心が向けられている。Ｉ／Ｏ線（伝送線）は、量子システムに接続され、量子システムとの間で入力信号および出力信号を運ぶ。超伝導量子ビットの場合、これらのＩ／Ｏ線（伝送線）は、通常、マイクロ波同軸線またはマイクロ波導波管である。これらの伝送線に伝搬するか、または漏れるノイズを遮断または減衰するために使用される技術またはコンポーネントの一部は、減衰器、サーキュレータ、アイソレータ、マイクロ波ローパス・フィルタ、マイクロ波バンドパス・フィルタ、および赤外線フィルタであり、これらは、損失の多い吸収物質または分散素子に基づいている。

最小の数の入出力伝送線および最小の数のコンポーネントを使用して、超伝導量子ビットを駆動して読み出すために、駆動および読み出し集積回路が必要である。

本発明の実施形態は、駆動および読み出し集積回路アセンブリを対象にする。駆動および読み出し集積回路アセンブリの非限定的な例は、量子ビット共振器システムに接続するように構成された方向性結合器、方向性結合器に結合されたダイプレクサ、およびダイプレクサに結合されたマイクロ波信号コンバイナを含む。

本発明の別の実施形態は、駆動および読み出し集積回路アセンブリを形成する方法を対象にする。この方法の非限定的な例は、量子ビット共振器システムに接続するように構成された方向性結合器を提供すること、ダイプレクサを方向性結合器に結合すること、およびマイクロ波信号コンバイナをダイプレクサに結合することを含む。

本発明のさらに別の実施形態は、チップを対象にする。このチップの非限定的な例は、量子ビット共振器システムに接続するように構成された方向性結合器、方向性結合器に結合されたダイプレクサ、およびダイプレクサに結合されたマイクロ波信号コンバイナを含む。

本発明のさらに別の実施形態は、量子ビット共振器システムを駆動する方法を対象にする。この方法の非限定的な例は、方向性結合器によって、マイクロ波信号を量子ビット共振器システムに送信すること、方向性結合器によって、量子ビット共振器システムから反射されたマイクロ波信号を受信すること、およびダイプレクサによって、方向性結合器からマイクロ波信号を受信することを含む。ダイプレクサは、マイクロ波信号を終端に向けるように構成される。

本発明の別の実施形態は、量子ビット共振器システムから読み出す方法を対象にする。この方法の非限定的な例は、方向性結合器によって、マイクロ波信号を量子ビット共振器システムに送信すること、方向性結合器によって、量子ビット共振器システムから反射されたマイクロ波信号を受信すること、ダイプレクサによって、方向性結合器からマイクロ波信号を受信すること、およびマイクロ波信号コンバイナによって、ダイプレクサからマイクロ波信号を受信することを含む。マイクロ波信号コンバイナは、マイクロ波信号を結合マイクロ波信号に結合するように構成される。また、この方法は、マイクロ波信号コンバイナによって、結合マイクロ波信号を量子限定された増幅器に送信することを含む。

本発明の実施形態による超伝導量子ビットの読み出しを示す駆動および読み出し集積回路の回路図である。 本発明の実施形態による超伝導量子ビットの駆動を示す駆動および読み出し集積回路の回路図である。 本発明の実施形態による駆動および読み出し集積回路の回路図である。 本発明の実施形態による信号コンバイナの回路図である。 本発明の実施形態による信号コンバイナの回路図である。 本発明の実施形態による駆動および読み出し集積回路を形成する方法のフローチャートである。 本発明の実施形態による量子ビット共振器システムを駆動する方法のフローチャートである。 本発明の実施形態による量子ビット共振器システムを読み出す方法のフローチャートである。

本明細書では、関連する図面を参照して、本発明のさまざまな実施形態が説明される。本明細書の範囲を逸脱することなく、本発明の代替の実施形態を考案することができる。以下の説明および図面において、要素間のさまざまな接続および位置関係（例えば、上、下、隣接など）が示されるということに注意する。それらの接続または位置関係あるいはその両方は、特に規定されない限り、直接的または間接的であることができ、この点において限定するよう意図されていない。したがって、各実体の結合は、直接的結合または間接的結合を指すことができ、各実体間の位置関係は、直接的位置関係または間接的位置関係であることができる。間接的位置関係の一例として、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」の関連する特性および機能が中間層によって大幅に変更されない限り、１つまたは複数の中間層（例えば、層「Ｃ」）が層「Ａ」と層「Ｂ」の間にある状況を含んでいる。

量子ビットの可能性のある実装として、複数の物理的実体が提案されている。しかし、半導体を用いた回路、および特に超伝導回路は、多数の相互作用する量子ビットを含む回路の作成を可能にする拡張性を提供するため、非常に興味深い。超伝導量子ビットは、通常、ジョセフソン接合（ＪＪ：Josephson junctions）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、超伝導電極間のＡｌ_２Ｏ_３などの絶縁トンネル・バリアを用いて製造され得る。そのようなジョセフソン接合の場合、許容される最大超伝導電流は、臨界電流Ｉ_ｃである。

実施形態は、回路の出力線および制御線の数を最小限に抑える拡張可能な量子ビット駆動および読み出し回路（qubit drive and readout circuit）を構築するように構成される。実施形態は、同じ回路基板またはチップ上で一緒に統合できる拡張可能な量子ビット駆動および読み出し回路を構築するための技術を提供する。

さらに、実施形態は、サーキュレータおよびアイソレータの数を最小限に抑えるように構成される。実施形態は、最適化され、交換され、十分に熱平衡化され得る拡張可能な量子ビット駆動および読み出し回路をさらに提供した。サーキュレータおよびアイソレータのサイズ／空間を強調するために、市販の低温アイソレータのサイズは約８．５センチメートル（ｃｍ）×３．１ｃｍ×１．７ｃｍであり、その重さは約２２９．５グラム（ｇ）である。この低温アイソレータを熱平衡化するために使用される銅ブラケットの重さは、約１８３．１ｇである。市販の低温サーキュレータのサイズは約４．５ｃｍ×３．５ｃｍ×１．８ｃｍであり、その重さは約４１．２ｇである。１つの量子ビット共振器および１つの量子限定された増幅器（ＪＰＣ）を接続する標準的な１入力１出力線の設定では、最先端の技術は２つのサーキュレータおよび３つのアイソレータを使用する。これらは、少なくとも１９１．１ｃｍ^３の体積を占め、少なくとも１．５ｋｇの重さになる（この重さは、サーキュレータおよびアイソレータのみの重さである）。この体積計算は、熱平衡化に使用される銅ブラケットの重さを考慮していない。これに対して、実施形態は、１つの出力線および１つの（任意選択的）サーキュレータ／アイソレータを含む構造を提供する。

ここで図を参照すると、図１は、実施形態による超伝導量子ビットの読み出しを示す駆動および読み出し集積回路アセンブリ１００の回路図である。図２は、実施形態よる超伝導量子ビットの駆動を示す駆動および読み出し集積回路１００の回路図である。図１および図２のシステムは同一であり、回路１００の動作（すなわち、量子ビットの読み出しと量子ビットの駆動）における違いを示している。図１および図２は（図３と共に）、当業者によって理解されているように、反射において動作している量子ビット共振器システムに適用される。

回路１００は、チップ上またはプリント基板上あるいはその両方に実装されるか、または集積回路として実装されるか、あるいはその組合せとして実装され得る。例えば、駆動および読み出し集積回路１００は、チップであることが可能である。回路１００は、量子システムに動作可能なように接続される。量子システムは、超伝導量子ビットを駆動し（すなわち、励起状態または基底状態と励起状態の重ね合わせに駆動し）、読み出すことができるように、読み出し共振器に結合された、超伝導量子ビットである。量子ビットの状態の読み出しは、読み出し共振器を測定することによる。量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎが存在しており、Ｎは量子ビット共振器システムの最後の番号に対応する。各量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎは、読み出し共振器に結合されたそれ自身の超伝導量子ビットを含んでいる。例えば、量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎは、超伝導量子ビット１５４＿１〜１５４＿Ｎをそれぞれ含んでおり、読み出し共振器１５２＿１〜１５２＿Ｎをそれぞれ含んでいる。前述したように、読み出し共振器は、集中素子共振器、マイクロストリップ共振器／ストリップライン共振器、同一平面上の導波管共振器、３Ｄマイクロ波空洞などとして実装され得る。

駆動および読み出し集積回路１００は、量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎに動作可能なようにそれぞれ接続された広帯域方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎを含んでいる。回路１００は、広帯域方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎに動作可能なようにそれぞれ接続されたダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎを含んでいる。信号コンバイナ１０８がダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎから入力を受信するように、信号コンバイナ１０８がダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎの各々に動作可能なように接続されている。任意選択的に、回路１００は、量子限定された広帯域方向性増幅器（wideband quantum-limited directional amplifier）１１０を含むことができ、その入力が信号コンバイナ１０８の出力に動作可能なように接続されている。任意選択的に、回路１００は、オンチップの４ポート広帯域サーキュレータ１１２または広帯域アイソレータを含むことができ、これらは、量子限定された広帯域方向性増幅器１１０の出力に接続される。量子限定された広帯域方向性増幅器１１０およびオンチップの４ポート広帯域サーキュレータ１１２は、任意選択的に、チップ上（つまり、チップ／回路１００上）またはチップ外に存在することができる。図３は、量子限定された広帯域方向性増幅器１１０およびオンチップの４ポート広帯域サーキュレータ１１２がチップ外に存在している例である。

実施形態によれば、拡張可能な量子ビット駆動および読み出し回路１００は、反射において駆動および測定される量子電磁力学システム（超伝導空洞／読み出し共振器量子ビット・システム（superconducting cavity/readout resonator-qubit systems）１０２＿１〜１０２＿Ｎなど）の多数の回路を駆動および測定するために使用される。超伝導空洞／読み出し共振器量子ビット・システム１０２＿１〜１０２＿Ｎは、説明の目的で示されている。この駆動および読み出し回路／方式が超伝導量子ビットに限定されないということが、理解されるべきである。この駆動および読み出し回路／方式は、マイクロ波共振器（すなわち、任意の量子システム）に結合された任意の種類の量子ビットと共に使用され得る。１つの条件は、量子ビットの駆動信号および読み出し信号が量子システムの同じポートに供給されることである。

ここで、回路アセンブリ１００のコンポーネントをさらに詳細に説明すると、広帯域方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎは、両方の量子ビット（すなわち、量子ビット１５４および読み出し共振器１５２）の周波数範囲をカバーする（すなわち、包含する）周波数帯域を有している。広帯域方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎは、ポート１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃ、および１０３Ｄを備える４ポートのデバイスである。これらの結合器は、特定のポートからのある信号の規定された量の電磁力を別のポートに結合するように構成され、それによって、その信号を別の回路で使用できるようにする。図を曖昧にしないようにするために、方向性結合器１０４＿１のみにポート１０３Ａ〜１０３Ｄのラベルが付けられている。しかし、他の方向性結合器１０４＿２〜１０４＿Ｎが、理解を容易にするためにポートにラベルが付けられた方向性結合器１０４＿１と同様に、同じポートを持ち、同じように動作するということが、理解されるべきである。

駆動信号および読み出し信号は、方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎの結合されたポート１０３Ａを介して供給される。方向性結合器１０４＿２〜１０４＿Ｎの分離されたポート１０３Ｄは、５０オーム（Ω）の終端によって終端される。５０オームΩの終端は、チップ上に存在するか、または外部の５０Ωの終端であることができる。５０Ωの終端は、抵抗負荷などの負荷であることができる。方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎの入力ポート１０３Ｂは、量子ビット読み出し共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎに接続される。結合されたポート１０３Ａから入力ポート１０３Ｂに結合する信号（駆動信号および／または読み出し信号）の減衰は、１０〜３０デシベル（ｄＢ）の範囲内である。

方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎの出力ポート１０３Ｃは、オンチップのダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿２に接続される。ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿２の目的は、反射された読み出し信号を出力線／チェーン（ＯＵＴ）に渡しながら、反射された量子ビット・パルス（qubit pulses）（すなわち、反射された駆動信号）が消失するように、反射された量子ビット・パルスを（チップ上または外部の）５０Ωの終端に向けることである。異なるダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎを通過する異なる読み出し信号が、量子信号（すなわち、反射された読み出し信号）用の信号コンバイナ１０８を使用して結合され、信号コンバイナ１０８は、周波数分割多重化を使用して、異なる（反射された）読み出し信号を、周波数ｆ_１、ｆ_２…ｆ_Ｎで読み出し信号を運ぶ単一の伝送線に結合する。読み出し信号は、直列、並列、または任意の組合せで加えられ得る。周波数ｆ_１、ｆ_２…ｆ_Ｎで結合された異なる読み出し信号が、信号コンバイナ１０８から広帯域方向性増幅器１１０に出力される。広帯域方向性増幅器１１０は、周波数ｆ_１、ｆ_２…ｆ_Ｎで結合された読み出し信号を増幅する。広帯域方向性増幅器１１０の後に、量子システム（量子ビット空洞／読み出し共振器システム（qubit-cavity/readout resonator systems）１０２＿１〜１０２＿Ｎなど）を出力チェーン（すなわち、ＯＵＴ）から生じるノイズから保護するオンチップのサーキュレータ１１２またはアイソレータが続くことができる。オンチップのサーキュレータ１１２またはアイソレータは、三波混合デバイス（例えば、ジョセフソン・パラメトリック・コンバータ（Josephson parametric converters））およびハイブリッドを使用することによって、またはフェライトおよび永久磁石を使用することによって、実現できる。

図２の量子ビット共振器を駆動する例として、以下の説明は、読み出し共振器１５２＿１および超伝導量子ビット１５４＿１を含んでいる量子ビット共振器システム１０２＿１を駆動することについて行われているが、類推によって、読み出し共振器１５２＿２〜１５２＿Ｎおよび超伝導量子ビット１５４＿２〜１５４Ｎをそれぞれ含んでいる量子ビット共振器システム１０２＿２〜１０２＿Ｎを駆動することにも適用される。量子ビット共振器システム１０２＿１、方向性結合器１０４＿１、およびダイプレクサ１０６＿１は、すべて１対１の関係にある。

量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎの各々は、同時に、ほぼ同時に、または順番に、あるいはその組合せで駆動され得る。量子ビット１５４＿１〜１５４＿Ｎの各々は、量子ビット周波数または量子ビット共振周波数（qubit resonance frequency）と呼ばれることがある共振周波数を有している。例えば、量子ビット１５４＿１〜１５４＿Ｎは量子ビット共振周波数ｆ_ｑ１〜ｆ_ｑＮをそれぞれ有しており、Ｎは最後の番号である。これらの周波数は、量子プロセッサの特定の実装方式に応じて、同じであるか、または異なっていてよい（すなわち、互いに近い（例えば、数メガヘルツ）か、または互いに離れて（例えば、数百メガヘルツ）いてよい）。量子ビット共振器システム１０２＿１を駆動することについての例示的な説明において、量子ビット１５４＿１は量子ビット共振周波数ｆ_ｑ１を有している。したがって、周波数ｆ_ｑ１での（駆動）マイクロ波信号（トーン）は、量子ビット１５４＿１を望ましい状態に駆動／操作する目的で、広帯域方向性結合器１０４＿１の結合されたポート１０３Ａに入力される。広帯域方向性結合器１０４＿１は、周波数ｆ_ｑ１でのマイクロ波駆動信号の一部（例えば、１％）を広帯域方向性結合器１０４＿１のポート１０３Ｂに結合し、ｆ_ｑ１でのマイクロ波駆動信号の残りの部分（または、残りの部分のほぼすべて）を（５０Ωの低温終端に接続された）分離されたポート１０３Ｄで消失させる。周波数ｆ_ｑ１での駆動マイクロ波信号（drive microwave signal）は、量子ビット共振器システム１０２＿１に入力され、周波数ｆ_ｑ１での駆動マイクロ波信号が量子ビット１５４＿１の量子ビット共振周波数ｆ_ｑ１に一致するか、またはほぼ一致するため、量子ビット１５４＿１を共振させる。量子ビット共振器システム１０２＿１から周波数ｆ_ｑ１で反射されたマイクロ波信号が、広帯域方向性結合器１０４＿１の入力ポート１０３Ｂに入り、この信号のほとんど（例えば、９９％）がポート１０３Ｃを通って外に出る。広帯域方向性結合器１０４＿１は、周波数ｆ_ｑ１での反射された（駆動）マイクロ波信号をダイプレクサ１０６＿１の共通ポート１０５Ａに出力するように構成される。ダイプレクサ１０６＿１は（ダイプレクサ１０６＿２〜１０６＿Ｎと共に）、ポート１０５Ｂにローパス・フィルタが接続されており、ポート１０５Ｃにハイパス・フィルタが接続されている。ローパス・フィルタは、周波数ｆ_ｑ１での反射された駆動マイクロ波信号が５０Ωの低温終端で消失するように、周波数ｆ_ｑ１での反射された駆動マイクロ波信号をポート１０５Ｂに渡すように設計されている。通常、各量子ビット１５４＿１〜１５４＿Ｎの異なる量子ビット共振周波数ｆ_ｑ１〜ｆ_ｑＮは、約３．５〜５．５ギガヘルツ（ＧＨｚ）の周波数範囲内にある。それに応じて、（量子ビット１５４＿１〜１５４＿Ｎの）駆動マイクロ波信号および対応する反射された駆動マイクロ波信号は、約３．５〜５．５ギガヘルツ（ＧＨｚ）の周波数範囲内にある。ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎの各々のローパス・フィルタは、各量子ビット１５４＿１〜１５４＿Ｎの量子ビット共振周波数ｆ_ｑ１〜ｆ_ｑＮがいずれも信号コンバイナ１０８に達しないように、各量子ビット１５４＿１〜１５４＿Ｎの量子ビット共振周波数ｆ_ｑ１〜ｆ_ｑＮでの反射された駆動マイクロ波信号を渡すように設計されている。一部の実装では、ローパス・フィルタは、約３．５〜５．５ギガヘルツの周波数範囲内の量子ビット周波数を渡すために、５．６ＧＨｚ未満の周波数を渡すように設計され得る。他の実装では、量子ビット共振周波数ｆ_ｑ１〜ｆ_ｑＮが５．０ＧＨｚ未満である場合、ローパス・フィルタは、５ＧＨｚ未満の周波数をポート１０５Ｂに渡し、さらに５０Ωの低温終端に渡すように設計され得る。

量子ビット共振周波数ｆ_ｑ１〜ｆ_ｑＮでの反射された駆動マイクロ波信号がダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎによって消失されなかった場合、信号コンバイナ１０８は、量子ビット共振周波数ｆ_ｑ１〜ｆ_ｑＮを拒否し、したがってそれらの拒否された信号が反射され、量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎに戻されるであろう。これは望ましくない状況であり、ローパス・フィルタがポート１０５Ｂに存在することによって、および量子ビット共振周波数ｆ_ｑ１〜ｆ_ｑＮを拒否するハイパス・フィルタがポート１０５Ｃに存在することによって、回避される。

ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎは、ポート１０５Ａ、１０５Ｂ、および１０５Ｃを備える３ポートのデバイスである。図を曖昧にしないようにするために、ダイプレクサ１０６＿１のみにポート１０５Ａ〜１０５Ｃのラベルが付けられている。しかし、他のダイプレクサ１０６＿２〜１０６＿Ｎが、ポートにラベルが付けられたダイプレクサ１０６＿１と同様に、同じポートを持ち、同じように動作するということが、理解されるべきである。

量子ビット共振器システム１０２＿１内の量子ビット１５４＿１を駆動することについての例示的な説明に戻ると、周波数ｆ_ｑ１での反射された駆動マイクロ波信号が消失しており、量子ビット共振器システム１０２＿１内の量子ビット１５４＿１の駆動が完了している。量子ビット共振器システム１０２＿１内の量子ビット１５４＿１に関して説明されたこの同じ駆動プロセスが、量子ビット共振器システム１０２＿２〜１０２＿Ｎ内の量子ビット１５４＿２〜１５４＿Ｎの駆動にも適用されるが、各入力線での各量子ビット共振周波数はｆ_ｑ２〜ｆ_ｑＮになる。

図１の量子ビット共振器から読み出す例として、以下の説明は、読み出し共振器１５２＿１および超伝導量子ビット１５４＿１を含んでいる量子ビット共振器システム１０２＿１から読み出すことについて行われているが、類推によって、読み出し共振器１５２＿２〜１５２＿Ｎおよび超伝導量子ビット１５４＿２〜１５４Ｎをそれぞれ含んでいる量子ビット共振器システム１０２＿２〜１０２＿Ｎから読み出すことにも適用される。量子ビット１５４＿１〜１５４Ｎの各々の状態は、各読み出し共振器１５２＿１〜１５２＿Ｎから読み出すことによって、同時に、またはほぼ同時に読み出され得る。読み出し共振器１５２＿１〜１５２＿Ｎの各々は、読み出し共振器周波数または読み出し共振器共振周波数と呼ばれることがあるそれ自身の共振周波数を有している。例えば、読み出し共振器１５２＿１〜１５２＿Ｎは（異なる）読み出し共振器共振周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎをそれぞれ有しており、Ｎは最後の番号である。量子ビット共振器システム１０２＿１内の読み出し共振器１５２＿１から読み出すことについての例示的な説明において、読み出し共振器１５２＿１は読み出し共振器共振周波数ｆ_１を有している。したがって、周波数ｆ_１での（読み出し）マイクロ波信号（トーン）は、読み出し共振器１５２＿１から読み出す目的で、広帯域方向性結合器１０４＿１の結合されたポート１０３Ａに入力される。広帯域方向性結合器１０４＿１は、周波数ｆ_１でのマイクロ波読み出し信号の一部を広帯域方向性結合器１０４＿１のポート１０３Ｂに結合し、周波数ｆ_１での読み出し信号の残りの部分（または、残りの部分のほぼすべて）を（５０Ωの低温終端に接続された）分離されたポート１０３Ｄで消失させる。周波数ｆ_１での読み出しマイクロ波信号が、量子ビット共振器システム１０２＿１に入力される。この時点で、駆動マイクロ波信号および読み出しマイクロ波信号を入力するためのプロセスは同じである。ただし、周波数ｆ_１での読み出しマイクロ波信号は、量子ビット共振器システム１０２＿１に入力されると、周波数ｆ_１での読み出しマイクロ波信号が読み出し共振器１５２＿１の読み出し共振器共振周波数ｆ_１に一致するか、またはほぼ一致するため、読み出し共振器１５２＿１を共振させる。周波数ｆ_１での読み出しマイクロ波信号が読み出し共振器１５２＿１と共振することによって、読み出し共振器１５２＿１に、周波数ｆ_１での反射された（読み出し共振器の）マイクロ波信号を送信させる。周波数ｆ_１での反射された読み出しマイクロ波信号が、量子ビット共振器システム１０２＿１から出力され、広帯域方向性結合器１０４＿１の入力ポート１０３Ｂに戻る。広帯域方向性結合器１０４＿１は、周波数ｆ_１での反射された読み出しマイクロ波信号のほとんどを方向性結合器１０４＿１の出力ポート１０３Ｃに出力し、その後、ダイプレクサ１０６＿１の共通ポート１０５Ａに出力するように構成される。ダイプレクサ１０６＿１は（ダイプレクサ１０６＿２〜１０６＿Ｎと共に）、ポート１０５Ｂにローパス・フィルタを含んでおり、ポート１０５Ｃにハイパス・フィルタを含んでいる。ハイパス・フィルタは、周波数ｆ_１での反射された量子ビット・マイクロ波信号を遮断しながら、周波数ｆ_１での反射された読み出し共振器のマイクロ波信号を、ポート１０５Ｃを介して信号コンバイナ１０８のポート１０７＿１に渡すように設計されている。通常、各読み出し共振器１５２＿１〜１５２＿Ｎの異なる読み出し共振器周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎは、約６ＧＨｚ以上の周波数範囲内にある。読み出し共振器１５２＿１〜１５２＿Ｎは、異なる共振周波数を有するように設計されている。ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎの各々のハイパス・フィルタは、読み出し共振器１５２＿１〜１５２＿Ｎの読み出し共振周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎの各々が信号コンバイナ１０８に達するように、各読み出し共振器１５２＿１〜１５２＿Ｎの読み出し共振周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎでの各反射された読み出しマイクロ波信号を渡すように設計されている。例えば、ハイパス・フィルタは、６ＧＨｚを超える周波数を渡すように設計され得る。

ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎの例示的な詳細が、説明の目的で示されているが、ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎの実装は、限定されるように意図されていない。例えば、ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎは、ローパス・フィルタおよびハイパス・フィルタを必ずしも使用する必要はない。他の実装では、ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎがバンドパス・フィルタを使用することができ、量子ビット周波数の範囲（ｆ_ｑ１〜ｆ_ｑＮ）内で送信する１つのバンドパス・フィルタがポート１０５Ｂに接続され、読み出し周波数の範囲（ｆ_１〜ｆ_Ｎ）内で送信する別のバンドパス・フィルタが１０５Ｃに接続される。

量子ビット共振器システム１０２＿１内の読み出し共振器１５２＿１から読み出すことについての例示的な説明に戻ると、周波数ｆ_１での反射された読み出しマイクロ波信号が信号コンバイナ１０８のポート１０７＿１に入力されている。信号コンバイナ１０８は、読み出し共振器１５２＿１からの周波数ｆ_１でのマイクロ波信号を、読み出し共振器１５２＿２〜１５２＿Ｎからの周波数ｆ_２〜ｆ_Ｎでの読み出しマイクロ波信号（ポート１０７＿２〜１０７＿Ｎを介して同様に入力されている）と結合するように構成される。その後、周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎでの反射された結合マイクロ波信号が、信号コンバイナ１０８のポート１０９から量子限定された広帯域方向性増幅器１１０に出力される。増幅器１１０は、周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎの反射された結合マイクロ波信号を増幅するように構成される。増幅器１１０は、読み出し周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎをカバーする帯域幅の範囲内で増幅するように設計されている。周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎの増幅されたマイクロ波信号が広帯域サーキュレータ１１２に出力され、この広帯域サーキュレータ１１２が、周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎの反射された結合マイクロ波信号を、ＯＵＴとして指定された伝送線に渡す。

量子ビット共振器システム１０２＿１内の読み出し共振器１５２＿１に関して説明されたこの同じ読み出しプロセスが、量子ビット共振器システム１０２＿２〜１０２＿Ｎ内の読み出し共振器１５２＿２〜１５２＿Ｎからの読み出しにも適用されるが、各読み出し共振器の共振周波数はｆ_２〜ｆ_Ｎになる。

実施形態によれば、駆動および読み出し集積回路１００は多くの利益を提供する。回路１００は、チップまたはプリント基板上で完全に統合され得る。回路１００は、出力線（ＯＵＴ）および制御線の数を最小限に抑える。制御線は、量子限定された増幅器１１０がチップ１００上に存在する場合にのみ、量子限定された増幅器１１０に必要であり、図３は、量子限定された増幅器１１０がチップ１００上に存在しない場合の例を示している。方向性増幅器（すなわち、量子限定された増幅器１００）およびオンチップのサーキュレータ／アイソレータ（例えば、サーキュレータ１１２）を除くすべてのコンポーネントは、受動的であり、駆動信号または制御信号を運ぶ制御線を必要としない。回路１００を使用する駆動および読み出し技術は、オフチップのサーキュレータまたはアイソレータを使用する必要がない。集積回路１００は、最先端の技術において必要とされるような多数のサーキュレータ／アイソレータを必要としないため、十分に熱平衡化され得る。例えば、Ｎ個の量子ビット共振器システム１０２のうちの１つごとに、最先端の高忠実度の測定方式は、１つの量子ビット共振器システムにつき２つのサーキュレータ（出力チェーンにおいてジョセフソン・パラメトリック増幅器（Josephson parametric amplifier）を使用することを仮定する）および３つのアイソレータを必要とする。したがって、回路１００を使用する技術は、実施形態では、市販の低温サーキュレータおよび低温アイソレータを組み込む最先端のアプローチよりも軽い重さおよび小さい設置面積を有することができる。さらに、回路１００は、超伝導回路または極めて低損失の常伝導金属、および低損失の誘電体コンポーネントを使用して実装できるため、低挿入損失（例えば、２デシベル（ｄＢ）未満）を有することができる。出力チェーンにおいて量子情報の損失を最小限に抑えるために、低損失要件が必要である。

図３は、実施形態による駆動および読み出し集積回路アセンブリ１００の回路図である。図３では、図１および図２よりも少ない回路素子が集積回路１００上に示されている。図３は、広帯域方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎ、ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎ、および信号コンバイナ１０８を含んでいる集積回路１００を示している。図３は、量子限定された方向性増幅器１１０およびサーキュレータ１１２をチップ上に含んでいない。図３は、量子プロセッサ３００が集積回路１００に動作可能なように接続される例を示している。図３の駆動動作および読み出し動作は、図１および図２で説明された駆動動作および読み出し動作と同一である。

図４は、実施形態による量子信号（すなわち、マイクロ波信号）を結合するための信号コンバイナ１０８の回路図である。信号コンバイナ１０８は、周波数分割多重化を利用して、異なるマイクロ波信号の異なる周波数を単一の出力伝送線に割り当てるように構成される。信号コンバイナ１０８は、通常はバンドパス・フィルタ４０５と呼ばれるバンドパス・マイクロ波フィルタを含んでいる。異なるバンドパス・フィルタ４０５が、バンドパス・フィルタ４０５＿１〜バンドパス・フィルタ４０５＿Ｎとして示されている。各バンドパス・フィルタ４０５は、異なる狭通過帯域を有しており、それらの狭通過帯域を介して、特定の狭通過帯域内の周波数を有しているマイクロ波信号が送信され（すなわち、渡され）、特定の狭通過帯域外の周波数を有している信号が反射される（すなわち、遮断される）。バンドパス・フィルタ４０５＿１は、帯域幅１（ＢＷ_１）を含むそれ自身の狭通過帯域を有し、バンドパス・フィルタ４０５＿２は、帯域幅２（ＢＷ_２）を含むそれ自身の狭通過帯域を有し、バンドパス・フィルタ４０５＿Ｎは、帯域幅Ｎ（ＢＷ_Ｎ）を含むそれ自身の狭通過帯域を有する。

例えば、バンドパス・フィルタ４０５＿１は、（読み出し共振器１５２＿１に対応する）周波数ｆ_１を有している（反射された読み出し）マイクロ波信号３０５＿１が通過する（送信される）ことを許可するが、バンドパス・フィルタ４０５＿１の通過帯域外である周波数ｆ_２〜ｆ_Ｎを有している他のすべてのマイクロ波信号３０５＿２〜３０５＿Ｎを遮断する（反射する）通過帯域（周波数帯域）を使用して、構成される。同様に、バンドパス・フィルタ４０５＿２は、（読み出し共振器１５２＿２に対応する）周波数ｆ_２を有している（反射された読み出し）マイクロ波信号３０５＿２が通過する（送信される）ことを許可するが、バンドパス・フィルタ４０５＿２の通過帯域外である周波数ｆ_１、ｆ_３〜ｆ_Ｎを有している他のすべてのマイクロ波信号３０５＿１、３０５＿３〜３０５＿Ｎを遮断する（反射する）通過帯域（周波数帯域）を使用して、構成される。同様に、バンドパス・フィルタ４０５＿Ｎは、（読み出し共振器１５２＿Ｎに対応する）周波数ｆ_Ｎを有している（反射された読み出し）マイクロ波信号３０５＿Ｎが通過する（送信される）ことを許可するが、バンドパス・フィルタ４０５＿Ｎの通過帯域外である周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎ−１を有している他のすべてのマイクロ波信号３０５＿１〜３０５＿Ｎ−１を遮断する（反射する）通過帯域（周波数帯域）を使用して、構成される。マイクロ波信号３０５＿１〜３０５＿Ｎは、通常、マイクロ波信号３０５と呼ばれる。量子ビット共振器量子システム１０２＿１〜１０２＿Ｎが、信号コンバイナ１０８に動作可能なように接続されている場合、当業者によって理解されているように、マイクロ波信号３０５は、各周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎで（読み出し共振器または空洞を介して）量子ビットを読み出すように指定され得る。

信号コンバイナ１０８は、各バンドパス・フィルタ４０５＿１〜４０５＿Ｎに個別に接続されているポート１０７＿１〜１０７＿Ｎを含んでいる。信号コンバイナ１０８では、ポート１０７＿１がバンドパス・フィルタ４０５＿１に接続され、ポート１０７＿２がバンドパス・フィルタ４０５＿２に接続され、ポート１０７＿Ｎがバンドパス・フィルタ４０５＿Ｎに接続されている。各ポート１０７＿１〜１０７＿Ｎは、それ自身のバンドパス・フィルタ４０５＿１〜４０５＿Ｎの一端に接続されている。バンドパス・フィルタ４０５＿１〜４０５＿Ｎのもう一方の端は、共通ノード４１５を介して共通ポート１０９に接続される。共通ノード４１５は、電気接続のための共通の位置として、共通の接続点、共通の伝送線、共通のワイヤなどであることができる。共通ポート１０９は、各バンドパス・フィルタ４０５＿１〜バンドパス・フィルタ４０５＿Ｎに接続され、個別のポート１０７＿１〜１０７＿Ｎは、それ自身の各バンドパス・フィルタ４０５＿１〜バンドパス・フィルタ４０５＿Ｎ（のみ）に接続される。

バンドパス・フィルタ４０５＿１〜４０５＿Ｎが、各通過帯域内で各反射された読み出しマイクロ波信号３０５＿１〜３０５＿Ｎのみを送信するため、信号コンバイナ１０８は、（バンドパス・フィルタ４０５の）どの通過帯域も重複せずに、各バンドパス・フィルタ４０５＿１〜バンドパス・フィルタ４０５＿Ｎが周波数の異なる帯域（またはサブバンド）をカバーするように、構成される。したがって、各ポート１０７＿１〜ポート１０７＿Ｎは、それ自身の各バンドパス・フィルタ４０５＿１〜４０５＿Ｎに接続されているため、どのポート１０７を通るマイクロ波信号３０５も共通ノード４１５を介して別のポート１０７に漏れないように、互いに分離される。そのため、各ポート１０７は、それ自身のバンドパス・フィルタ４０５に接続されている結果として、他のポート１０７から分離されており、事前に定義された周波数で（または、事前に定義された周波数帯域内で）それ自身のマイクロ波信号３０５を送信するように設計されている。したがって、バンドパス・フィルタ４０５＿１〜４０５＿Ｎは、ポート１０７＿１〜１０７＿Ｎ間を分離することに責任を負っている。

各ポート１０７、バンドパス・フィルタ４０５、共通ノード４１５、および共通ポート１０９は、伝送線３０を介して互いに接続されている。伝送線３０は、ストリップライン、マイクロストリップ、同一平面上の導波管などであることができる。マイクロ波バンドパス・フィルタ４０５は、超伝導インダクタ、超伝導のギャップ・コンデンサまたは平板コンデンサあるいはその両方、超伝導受動素子などの、無損失または低損失の集中素子を使用して設計され、実装される。超伝導素子は、集中素子インダクタ、メアンダ・ライン、動的インダクタンス線（kinetic inductance lines）、ギャップ・コンデンサ、相互嵌合コンデンサ、または平板コンデンサ（低損失の誘電体を伴う）、あるいはその組合せを含む。バンドパス・フィルタの可能性のあるその他の実装は、結合線路フィルタまたは容量結合された直列共振器あるいはその両方を含む。

信号コンバイナ１０８は、ｆ_１＜ｆ_２＜…＜ｆ_Ｎの周波数関係を使用して構成され、各周波数ｆ_１、ｆ_２、…ｆ_Ｎはそれぞれ、バンドパス・フィルタ４０５＿１〜４０５＿Ｎの中心周波数である。信号コンバイナ１０８は、次の不等式を満たすように構成される。

ここで、ｉ，ｊ＝１，２，…Ｎ、ｊ≠ｉである。この不等式は、バンドパス・フィルタの各対の中心周波数間の周波数間隔が平均帯域幅を超えることを要求している。言い換えると、この不等式は、どのバンドパス・フィルタの帯域幅（すなわち、周波数範囲）も重複していないことを保証する。一例として、あるバンドパス・フィルタ４０５が１メガヘルツ（ＭＨｚ）の通過帯域を有することができ、別のバンドパス・フィルタ４０５が１０ＭＨｚの通過帯域を有することができ、さらに別のバンドパス・フィルタ４０５が１００ＭＨｚの通過帯域を有することができる、などとなる。

図５は、実施形態による量子信号用の信号コンバイナ１０８の回路図である。信号コンバイナ１０８は、本明細書において説明されたさまざまな特徴をすべて含んでいる。さらに、信号コンバイナ１０８は、マイクロ波信号を渡すためにインピーダンス整合を保証する（すなわち、信号経路に沿った反射を最小限に抑える）ための追加の特徴を含んでおり、共通ノード４１５への複数の分岐／線の接続を可能にするための追加の特徴も含んでいる。

図５では、インピーダンス変換器５０５＿１〜５０５＿Ｎが、各ポート１０７＿１〜１０７＿Ｎと、それらに関連付けられたバンドパス・フィルタ４０５＿１〜４０５＿Ｎとの間にそれぞれ追加されている。また、信号コンバイナ１０８は、共通ノード４１５および共通ポート１０９に接続された広帯域インピーダンス変換器５１０を含んでいる。インピーダンス変換器５０５＿１〜５０５＿Ｎおよびインピーダンス変換器５１０は、インピーダンス整合を提供するように構成される。信号コンバイナ１０８の一端で、インピーダンス変換器５０５＿１〜５０５＿Ｎが、ポート１０７＿１〜１０７＿Ｎの入力インピーダンスＺ_０を一致させる（または、ほぼ一致させる）ように構築され、バンドパス・フィルタ４０５＿１〜４０５＿Ｎに関連付けられた特性インピーダンスを一致させるように構築される。インピーダンス変換器５０５＿１〜５０５＿Ｎの各々は、特性インピーダンス

を使用して構成され、Ｚ_０は入力インピーダンス（および出力インピーダンス）であり、Ｚ_Ｈはバンドパス・フィルタ４０５＿１〜４０５＿Ｎの高インピーダンスであり、Ｚは各インピーダンス変換器５０５＿１〜５０５＿Ｎのインピーダンスである。平均特性インピーダンスＺは、Ｚ_０およびＺ_Ｈの積の平方根である。インピーダンス整合変換器５０５＿１〜５０５＿Ｎの各々は、それ自身の各関係λ_１／４、λ_２／４、…、λ_Ｎ／４に従う長さを有しており、λ_１はマイクロ波信号３０５＿１の波長、λ_２はマイクロ波信号３０５＿２の波長、λ_Ｎはマイクロ波信号３０５＿Ｎの波長である。これらのインピーダンス変換器は、一般に、狭帯域幅を有している。デバイスのポートのインピーダンスＺ_０を共通ノードの領域内の高特性インピーダンスＺ_Ｈに変換することが有益であり得る１つの理由は、一般に、マイクロストリップまたはストリップラインなどの高インピーダンスの伝送線が、狭い配線を含んでおり、それが共通ノードの物理的大きさを最小限に抑え、より多くの線をこのノードで一緒に結合できるようにすることである。このことは、バンドパス・フィルタが結合線路フィルタまたは容量結合された共振器あるいはその両方として実装されている場合に、特に関連する。しかし、すべてのバンドパス・フィルタが、（設置面積が非常に小さい）集中素子を使用して実装されている場合、そのようなインピーダンス変換はあまり必要でないことがある。

１つの実装では、インピーダンス変換器５０５＿１〜５０５＿Ｎは、インピーダンス整合伝送線（すなわち、先細）であることができ、その一端は入力インピーダンスＺ_０に一致する広い幅を有しており、反対の端はバンドパス・フィルタ４０５の高インピーダンスＺ_Ｈに一致する狭い幅を有している。

１つの実装では、広帯域インピーダンス変換器５１０は、一端が（共通ノード４１５を介して）バンドパス・フィルタ４０５の高インピーダンスＺ_Ｈに一致する狭い幅を有しており、反対の端が出力インピーダンスＺ_０に一致する広い幅を有している、インピーダンス整合伝送線であることができる。そのような広帯域インピーダンス変換器５１０は、先細の伝送線（例えば、最大信号波長の規模の断熱して変更された幅を有する伝送線）を使用して実装され得る。エキスポネンシャル・テーパまたはクロッフェンシュタイン・テーパなどの、当業者に知られている先細の線のその他の実装も可能である。また、他の変換器５０５に対するこのインピーダンス変換器の広帯域要件が、各バンドパスの対応する中心周波数を中心にする狭い周波数範囲のインピーダンスに一致するだけでよいインピーダンス変換器５０５とは対照的に、この広帯域変換器５１０が、それを通って送信される広帯域の信号周波数の特性インピーダンスに一致する必要があるということから生じるということに、注意するべきである。

図５は、インピーダンス整合の特定の１つの例を示しており、コンバイナ１０８の一般的な方式がこの特定の実装に限定されないということが理解されるべきである。例えば、一部の実装では、バンドパス・フィルタ４０５は、ポート（１０７）と同じ特性インピーダンスＺ_０を有することができ、インピーダンス変換器が、バンドパス・フィルタ４０５と、共通ノード１０９に接続されている高インピーダンスＺ_Ｈとの間に組み込まれる。

インピーダンス指定Ｚ_０は、ポート１０７＿１〜１０７＿Ｎおよびポート１０９（入力ポートおよび出力ポートであることができる）での特性インピーダンスである。例えば、特性インピーダンスＺ_０は、当業者によって認識されているように、各ポート１０７および１０９での５０オーム（Ω）であってよい。

Ｎが、周波数、マイクロ波信号３０５、バンドパス・フィルタ４０５、およびインピーダンス変換器５０５の各々の最後を表すということに、注意するべきである。また、Ｎは、量子ビット共振器システム１０２、読み出し共振器１５２、量子ビット１５４、方向性結合器１０４、ダイプレクサ１０６などの最後を表す。

回路１００の回路素子は超伝導材料で作られ得る。各ポート１０７、バンドパス・フィルタ４０５、共通ノード４１５、共通ポート１０９、インピーダンス変換器５０５、および伝送線３０は、超伝導材料で作られている。さらに、量子ビット共振器システム１０２、読み出し共振器１５２、量子ビット１５４、方向性結合器１０４、ダイプレクサ１０６、増幅器１１０、およびサーキュレータ１１２は、超伝導材料で作られている。（約１０〜１００ミリケルビン（ｍＫ）または約４Ｋなどの低温での）超伝導材料の例としては、ニオブ、アルミニウム、タンタルなどが挙げられる。例えば、ジョセフソン接合は超伝導材料で作られており、それらのトンネル接合は、酸化物などの薄いトンネル・バリアで作られ得る。コンデンサは、低損失の誘電材料によって分離された超伝導材料で作られ得る。さまざまな素子を接続する伝送線（すなわち、ワイヤ）は、超伝導材料で作られている。

図６は、実施形態による駆動および読み出し集積回路／アセンブリ１００を形成する方法のフローチャート６００である。この方法は、ブロック６０２で、量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎにそれぞれ接続されるように構成された方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎを提供することと、ブロック６０４で、ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎを方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎにそれぞれ接続することと、ブロック６０６で、マイクロ波信号コンバイナ１０８をダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎの各々に接続することとを含む。

方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎの各々は、第１のポート、第２のポート、第３のポート、および第４のポートを含んでいる。第１のポート１０３Ａは、量子ビット信号および読み出し信号を受信するように構成され、第２のポート１０３Ｂは、量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎに接続可能であり、第３のポート１０３Ｃは、ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎに接続可能であり、第４のポート１０３Ｄは、分離されたポートである。

ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎは、ローパス・フィルタのポート１０５Ｂ、ハイパス・フィルタのポート１０５Ｃ、および共通ポート（Ｃ）１０５Ａをそれぞれ含んでいる。共通ポートは、低通過帯域のポートに関連付けられた低周波数帯域および高通過帯域のポートに関連付けられた高周波数帯域の両方をサポートするように構成される。ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎの共通ポート１０５Ａは、方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎにそれぞれ接続される。

ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎは、反射された駆動マイクロ波信号をローパス・フィルタのポート１０５Ｂに向けるように構成され、ローパス・フィルタのポート１０５Ｂは終端点（例えば、５０Ωの終端）に接続される。ハイパス・フィルタのポート１０５Ｃは、信号コンバイナ１０８に接続される。マイクロ波信号コンバイナ１０８は、図１に示されているように、各ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎからのマイクロ波信号を結合するように構成される。マイクロ波信号コンバイナ１０８は、結合マイクロ波信号（例えば、周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎを有する結合マイクロ波信号）を量子限定された増幅器１１０に出力するように構成される。量子限定された増幅器１１０は、結合マイクロ波信号を増幅し、結合マイクロ波信号をサーキュレータ１１２に出力するように構成される。

図７は、実施形態による量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎを駆動する方法のフローチャート７００である。この方法は、（ブロック７０２で）方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎによって、（駆動）マイクロ波信号を（量子ビット共振周波数ｆ_ｑ１〜ｆ_ｑＮで）量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎにそれぞれ送信することと、（ブロック７０４で）方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎによって、量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎから反射された（駆動）マイクロ波信号を（量子ビット共振周波数ｆ_ｑ１〜ｆ_ｑＮで）受信することと、（ブロック７０６で）ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎによって、方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎから送信された（駆動）マイクロ波信号をそれぞれ受信することとを含む。言い換えると、量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎから反射された信号が、方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎを介して送信される。ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎは、反射された（駆動）マイクロ波信号を（量子ビット共振周波数ｆ_ｑ１〜ｆ_ｑＮで）終端されたポート（例えば、５０Ωの低温終端）に向けるように構成される。

図８は、実施形態による量子ビット共振器システムから読み出す（すなわち、読み出し共振器１５２＿１〜１５２＿Ｎからそれぞれ読み出すことによって、超伝導量子ビット１５４＿１〜１５４＿Ｎの状態を推論する）方法のフローチャート８００である。この方法は、（ブロック８０２で）方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎによって、（読み出し）マイクロ波信号を（読み出し共振周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎで）量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎにそれぞれ送信することと、（ブロック８０４で）方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎによって、量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎから反射された（読み出し）マイクロ波信号を（読み出し共振周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎで）それぞれ受信することとを含む。また、この方法は、（ブロック８０６で）ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎによって、方向性結合器１０４＿１〜１０４＿Ｎを介して、送信された読み出しマイクロ波信号を（読み出し共振周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎで）それぞれ受信することと、（ブロック８０８で）マイクロ波信号コンバイナ１０８によって、ダイプレクサ１０６＿１〜１０６＿Ｎから送信された読み出しマイクロ波信号を（読み出し共振周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎで）それぞれ受信することとを含む。（読み出し共振周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎで）送信された読み出しマイクロ波信号が、量子ビット共振器システム１０２＿１〜１０２＿Ｎから（読み出し共振周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎで）前に反射された（読み出し）マイクロ波信号だったことに注意する。

マイクロ波信号コンバイナ１０８は、複数の送信された読み出しマイクロ波信号を（読み出し周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎで）複数のマイクロ波信号に結合するように構成される。さらに、この方法は、（ブロック８１０で）マイクロ波信号コンバイナ１０８によって、（読み出し共振周波数ｆ_１〜ｆ_Ｎを含んでいる）結合された読み出しマイクロ波信号を量子限定された増幅器１１０に送信することを含む。

技術的効果および利点は、拡張可能な量子ビット駆動および読み出し回路のための方法および構造を含む。それらの構造は、チップまたはプリント基板上で完全に統合され得る。技術的優位性は、出力線および制御線の数を最小限に抑えることを含む。さらに、技術的効果および利点は、市販の低温サーキュレータおよび低温アイソレータを組み込む方式より軽い重さを有し、より適切に熱平衡化することができ、より小さい設置面積を有する、構造を含む。

「約」およびこれらの変形の用語は、本出願の出願時に使用できる機器に基づいて、特定の量の測定に関連付けられた誤差の程度を含むよう意図されている。例えば、「約」は、特定の値の±８％または５％、あるいは２％の範囲を含むことができる。

図内のフローチャートおよびブロック図は、本発明のさまざまな実施形態による、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装のアーキテクチャ、機能、および動作を示す。これに関連して、フローチャートまたはブロック図内の各ブロックは、規定された論理機能を実装するための１つまたは複数の実行可能な命令を含んでいる、命令のモジュール、セグメント、または部分を表すことができる。一部の代替の実装では、ブロックに示された機能は、図に示された順序とは異なる順序で発生することができる。例えば、連続して示された２つのブロックは、実際には、含まれている機能に応じて、実質的に同時に実行されるか、または場合によっては逆の順序で実行され得る。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、ならびにブロック図またはフローチャート図あるいはその両方に含まれるブロックの組合せは、規定された機能または動作を実行するか、または専用ハードウェアとコンピュータ命令の組合せを実行する専用ハードウェアベースのシステムによって実装され得るということにも注意する。

本発明のさまざまな実施形態の説明は、例示の目的で提示されているが、網羅的であることは意図されておらず、説明された実施形態に限定されない。説明された実施形態の範囲を逸脱することなく多くの変更および変形が可能であることは、当業者にとって明らかである。本明細書で使用された用語は、実施形態の原理、実際の適用、または市場で見られる技術を超える技術的改良を最も適切に説明するため、または他の当業者が本明細書において説明された実施形態を理解できるようにするために選択されている。

Claims (25)

1. 駆動および読み出し集積回路アセンブリであって、
   量子ビット共振器システムに接続されるように構成された方向性結合器と、
   前記方向性結合器に結合されたダイプレクサと、
   前記ダイプレクサに結合されたマイクロ波信号コンバイナとを備える、駆動および読み出し集積回路アセンブリ。
2. 前記方向性結合器の各々が、第１のポート、第２のポート、第３のポート、および第４のポートを含む、請求項１に記載の駆動および読み出し集積回路アセンブリ。
3. 前記第１のポートが、量子ビット信号および読み出し信号を受信するように構成されており、前記第２のポートが、前記量子ビット共振器システムに接続可能であり、前記第３のポートが、前記ダイプレクサに接続可能であり、前記第４のポートが、分離されたポートである、請求項２に記載の駆動および読み出し集積回路アセンブリ。
4. 前記ダイプレクサが、低通過帯域のポート、高通過帯域のポート、および共通ポートを含んでおり、前記共通ポートが、前記低通過帯域のポートに関連付けられた低周波数帯域および前記高通過帯域のポートに関連付けられた高周波数帯域の両方をサポートするように構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の駆動および読み出し集積回路アセンブリ。
5. 前記ダイプレクサの前記共通ポートが前記方向性結合器に接続されている、請求項４に記載の駆動および読み出し集積回路アセンブリ。
6. 前記ダイプレクサが、反射された駆動マイクロ波信号を前記低通過帯域のポートに向けるように構成されており、前記低通過帯域のポートが終端に接続されている、請求項４または５に記載の駆動および読み出し集積回路アセンブリ。
7. 前記高通過帯域のポートが前記マイクロ波信号コンバイナに接続されている、請求項４ないし６のいずれかに記載の駆動および読み出し集積回路アセンブリ。
8. 前記マイクロ波信号コンバイナが、前記ダイプレクサからのマイクロ波信号を結合するように構成されている、請求項１ないし７のいずれかに記載の駆動および読み出し集積回路アセンブリ。
9. 前記マイクロ波信号コンバイナが、結合マイクロ波信号を量子限定された増幅器に出力するように構成されている、請求項１ないし８のいずれかに記載の駆動および読み出し集積回路アセンブリ。
10. 前記量子限定された増幅器が、前記結合マイクロ波信号を増幅し、増幅されている前記結合マイクロ波信号をサーキュレータに出力するように構成されている、請求項９に記載の駆動および読み出し集積回路アセンブリ。
11. 駆動および読み出し集積回路アセンブリを形成する方法であって、
    量子ビット共振器システムに接続されるように構成された方向性結合器を提供することと、
    ダイプレクサを前記方向性結合器に結合することと、
    マイクロ波信号コンバイナを前記ダイプレクサに結合することとを含む、方法。
12. 前記方向性結合器の各々が、第１のポート、第２のポート、第３のポート、および第４のポートを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１のポートが、量子ビット信号および読み出し信号を受信するように構成されており、前記第２のポートが、前記量子ビット共振器システムに接続可能であり、前記第３のポートが、前記ダイプレクサに接続可能であり、前記第４のポートが、分離されたポートである、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ダイプレクサが、低通過帯域のポート、高通過帯域のポート、および共通ポートを含んでおり、前記共通ポートが、前記低通過帯域のポートに関連付けられた低周波数帯域および前記高通過帯域のポートに関連付けられた高周波数帯域の両方をサポートするように構成されている、請求項１１ないし１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記ダイプレクサの前記共通ポートが前記方向性結合器に接続されている、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ダイプレクサが、反射された駆動マイクロ波信号を前記低通過帯域のポートに向けるように構成されており、前記低通過帯域のポートが終端に接続されている、請求項１４または１５に記載の方法。
17. 前記高通過帯域のポートが前記マイクロ波信号コンバイナに接続されている、請求項１４、１５、または１６に記載の方法。
18. 前記マイクロ波信号コンバイナが、前記ダイプレクサからのマイクロ波信号を結合するように構成されている、請求項１１ないし１７のいずれかに記載の方法。
19. 前記マイクロ波信号コンバイナが、結合マイクロ波信号を量子限定された増幅器に出力するように構成されている、請求項１１ないし１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記量子限定された増幅器が、前記結合マイクロ波信号を増幅し、増幅されている前記結合マイクロ波信号をサーキュレータに出力するように構成されている、請求項１９に記載の方法。
21. 請求項１ないし１０のいずれかに記載のライブおよびランダム集積回路アセンブリを備える、チップ。
22. 前記マイクロ波信号コンバイナに接続された量子限定された増幅器をさらに備える、請求項２１に記載のチップ。
23. 前記量子限定された増幅器に接続されたアイソレータをさらに備える、請求項２２に記載のチップ。
24. 量子ビット共振器システムを駆動する方法であって、
    前記方向性結合器によって、マイクロ波信号を前記量子ビット共振器システムに送信することと、
    前記方向性結合器によって、前記量子ビット共振器システムから反射されている前記マイクロ波信号を受信することと、
    前記ダイプレクサによって、前記方向性結合器から前記マイクロ波信号を受信することであって、前記ダイプレクサが前記マイクロ波信号を終端に向けるように構成されている、前記受信することとを実行する、方法。
25. 請求項１１ないし２０のいずれかに記載の方法によって形成された駆動およびランダム集積回路アセンブリを介して、量子ビット共振器システムから読み出す方法であって、
    前記方向性結合器によって、マイクロ波信号を前記量子ビット共振器システムに送信することと、
    前記方向性結合器によって、前記量子ビット共振器システムから反射されている前記マイクロ波信号を受信することと、
    前記ダイプレクサによって、前記方向性結合器から前記マイクロ波信号を受信することと、
    前記マイクロ波信号コンバイナによって、前記ダイプレクサから前記マイクロ波信号を受信することであって、前記マイクロ波信号コンバイナが前記マイクロ波信号を結合マイクロ波信号に結合するように構成されている、前記受信することと、
    前記マイクロ波信号コンバイナによって、前記結合マイクロ波信号を量子限定された増幅器に送信することとを含む、方法。

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