JP2020524281A

JP2020524281A - グラジオメトリック磁束キュービットシステム

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Publication number: JP2020524281A
Application number: JP2019570412A
Authority: JP
Inventors: ジョセフプシビシュ、アンソニー; ジョージファーガソン、デイビッド
Original assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2020-08-13
Anticipated expiration: 2038-07-02
Also published as: CA3067246A1; US20190013065A1; WO2019014011A1; EP3652552B1; EP3652552A1; JP7114637B2; KR20200026944A; US10262727B2; CA3067246C; AU2018299805A1; KR102389994B1; AU2018299805B2

Abstract

一例は、磁束キュービット読み出し回路を含む。回路は、グラジオメトリック磁束キュービットと誘導結合して、磁束キュービットの磁束状態に基づいてグラジオメトリック超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）に関連する磁束を変更するように構成されたグラジオメトリックＳＱＵＩＤを含む。回路は、状態読み出し動作中に、グラジオメトリックＳＱＵＩＤを通過する読み出し電流を供給して、読み出しノードにおいてグラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態を決定するように構成された電流源をも含む。

Description

本開示は、概して、量子および古典的回路システムに関し、具体的には、グラジオメトリック磁束キュービットシステムに関する。

超伝導キュービットは、コンデンサの電界、インダクタの磁場、およびジョセフソン接合からなどの超伝導位相差のいくつかの組み合わせの間でエネルギーを伝達することができる発振器の形をとることができる。キュービットの一例は、磁束キュービット（例えば、永久電流キュービット）である。磁束キュービットは、多数のジョセフソン接合によって中断された超伝導金属のマイクロメータサイズのループとして構成することができる。接合パラメータは、外部磁束が印加されたときに永久電流が連続的に流れるように、製造中に設計することができる。整数の「磁束量子」のみが超伝導リングを通過できるため、非整数の外部磁束バイアスを補償するためにループ内で時計回りまたは反時計回りの電流が発生する。ループ領域を通る印加磁束が半整数の磁束量子に近い場合、ループの２つの最低エネルギーの固有状態は、時計回りおよび反時計回りの電流の量子重ね合わせ（ｑｕａｎｔｕｍｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ）に対応することができる。

一例は、磁束キュービット読み出し回路を含む。回路は、グラジオメトリック磁束キュービットと誘導結合して、磁束キュービットの磁束状態に基づいてグラジオメトリックＳＱＵＩＤに関連する磁束を変更するように構成されたグラジオメトリック超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を含む。回路は、状態読み出し動作中に、グラジオメトリックＳＱＵＩＤを通過する読み出し電流を供給して、読み出しノードにおいてグラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態を決定するように構成された電流源をも含む。

別の例は、グラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態を読み出す方法を含む。方法は、グラジオメトリック超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）にチューニング電圧を供給して、グラジオメトリックＳＱＵＩＤに関連する少なくとも１つの読み出し磁束ループの磁束状態を設定するステップを含む。グラジオメトリックＳＱＵＩＤは、グラジオメトリック磁束キュービットと誘導結合される。方法は、状態読み出し動作中に、グラジオメトリックＳＱＵＩＤを通過する読み出し電流を供給するステップをも含む。方法は、グラジオメトリックＳＱＵＩＤに接続された読み出しノードにおいて電圧状態を検出して、少なくとも１つの読み出し磁束ループの磁束状態に基づくグラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態を決定するステップをさらに含む。

別の例は、磁束キュービットシステムを含む。システムは、第１のキュービット磁束ループと第２のキュービット磁束ループとを含むグラジオメトリック磁束キュービットを含む。システムは、磁束キュービット読み出し回路をも含む。磁束キュービット読み出し回路は、第１のキュービット磁束ループに誘導結合される第１の読み出し磁束ループを含む。磁束キュービット読み出し回路は、第２のキュービット磁束ループに誘導結合され、かつ読み出しノードと電圧基準ノードとの間でグラジオメトリック磁束構成で第１の磁束ループと並列に配置された第２の読み出し磁束ループをも含む。磁束キュービット読み出し回路は、状態読み出し中に、第１および第２の読み出し磁束ループに読み出し電流を供給して、グラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態を決定するように構成された電流源をさらに含む。磁束状態は、読み出しノードにおいて決定される。

グラジオメトリック磁束キュービットシステムの一例を示す図である。グラジオメトリック磁束読み出し回路の一例を示す図である。グラジオメトリック磁束キュービットの例示的な図である。グラジオメトリック磁束キュービットシステムの一例を示す図である。グラフの一例を示す図である。グラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態を読み出す方法の一例を示す図である。

本開示は、概して、量子および古典的回路システムに関し、具体的には、グラジオメトリック磁束キュービットシステムに関する。グラジオメトリック磁束キュービット読み出しシステムは、グラジオメトリック磁束キュービットと、グラジオメトリックＳＱＵＩＤを含むグラジオメトリック磁束読み出し回路とを含むことができる。本明細書で説明するように、「グラジオメトリック（ｇｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ）」という用語は、永久電流が反対方向に流れて、グラジオメトリックデバイス（例えば、グラジオメトリック磁束キュービットおよびグラジオメトリックＳＱＵＩＤ）の個々の磁束ループを通過する反対の極性の差分磁束（例えば、Δ磁束、またはΦ_Δ）を供給する磁束ループの対称的配置を指す。従って、個々のグラジオメトリックデバイスの磁束状態は、個々のグラジオメトリックデバイスの差動モードでの永久電流の重ね合わせであるため、グラジオメトリックデバイスの個々のエネルギーレベルは、コモンモード磁束（例えば、α磁束、またはΦ_α）の変化に対して感度が低くなる。

グラジオメトリックＳＱＵＩＤは、個々のグラジオメトリック磁束キュービットに関連する第１のキュービット磁束ループと第２のキュービット磁束ループとにそれぞれ誘導結合された第１の読み出し磁束ループと第２の読み出し磁束ループとを含む。一例として、グラジオメトリックＳＱＵＩＤおよびグラジオメトリック磁束キュービットは、基板上に平面配置で製造することができ、従って、個々の永久電流に関連するいかなる信号クロスオーバーもなしに製造することができる。例えば、グラジオメトリックＳＱＵＩＤは、グラジオメトリックＳＱＵＩＤに関連する磁束状態、即ち、第１および第２の読み出し磁束ループの各々に関連する対向磁束を設定するためのチューニング電圧を受信するように構成された少なくとも１つのチューニング入力を含むことができる。グラジオメトリック磁束読み出し回路は、グラジオメトリックＳＱＵＩＤを通過するように供給される読み出し電流を生成するように構成された電流源をも含むことができる。グラジオメトリック磁束キュービットとのグラジオメトリックＳＱＵＩＤの誘導結合に基づいて、グラジオメトリックＳＱＵＩＤに関連する少なくとも１つのジョセフソン接合をトリガーするように読み出し電流を構成することができるように、グラジオメトリックＳＱＵＩＤの磁束状態を変更することができる。例えば、グラジオメトリック磁束読み出し回路に関連する読み出しノードがジョセフソン接合（単数または複数）のトリガーに応答して電圧状態になる前の状態読み出し動作中の経過時間に基づいて磁束状態を決定することができるようにするために、読み出し電流を電流ランプとして生成することができる。

図１は、グラジオメトリック磁束キュービットシステム１０の例示的な図を示している。グラジオメトリック磁束キュービットシステム１０は、グラジオメトリック磁束キュービット１２が２つの状態の量子重ね合わせを格納することができ、グラジオメトリック磁束キュービット１２の磁束状態が決定されるような、様々な量子コンピューティングシステムのうちの任意のもので実施することができる。グラジオメトリック磁束キュービットシステム１０は、グラジオメトリック磁束キュービット１２の磁束状態を読み出すように構成されたグラジオメトリック読み出し回路１４をも含む。グラジオメトリック読み出し回路１４は、グラジオメトリック超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ：ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｑｕａｎｔｕｍｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｄｅｖｉｃｅ）１６を含むものとして図１の例に示されている。図１の例では、グラジオメトリック磁束キュービット１２およびグラジオメトリック読み出し回路１４は、例えば、グラジオメトリック磁束キュービット１２およびグラジオメトリックＳＱＵＩＤ１６の各々に関連する磁束ループに関して、点線１８によって示されるように、誘導結合される。一例として、グラジオメトリック磁束キュービット１２およびグラジオメトリック読み出し回路１４は、基板（図示せず）上の同一平面上（ｃｏｐｌａｎａｒ）に製造することができる。

グラジオメトリック読み出し回路１４は、誘導結合１８を介したグラジオメトリックＳＱＵＩＤ１６の磁束とグラジオメトリック磁束キュービット１２との相互作用に基づいて、グラジオメトリック磁束キュービット１２の量子磁束状態を読み出すように構成することができる。例えば、グラジオメトリック磁束キュービット１２の磁束ループに関連する磁束は、グラジオメトリックＳＱＵＩＤ１６の個々の磁束ループの周りを流れる永久電流が増加または減少して、グラジオメトリックＳＱＵＩＤ１６に関連する少なくとも１つのジョセフソン接合のトリガー閾値に影響を与えるように、グラジオメトリックＳＱＵＩＤ１６の磁束ループに関連する磁束を変更することができる。図１の例では、グラジオメトリック読み出し回路１４は、チューニング電圧Ｖ_Φおよび読み出し電流Ｉ_Ｂを受け取る。一例として、チューニング電圧Ｖ_Φは、グラジオメトリック磁束キュービット１２の磁束状態と相互作用することができるグラジオメトリックＳＱＵＩＤ１６の磁束状態を設定することができる。グラジオメトリックＳＱＵＩＤ１６の磁束状態に基づくグラジオメトリック磁束キュービット１２の磁束状態は、状態読み出し動作中に、本明細書でより詳細に説明するように、例えば、読み出し電流に基づいて決定される。例えば、読み出し電流に応答して、グラジオメトリック読み出し回路１４は、読み出し電圧ＲＯを読み出しノード２０に提供することができる。本明細書でより詳細に説明するように、読み出し電圧ＲＯは、例えば、状態読み出し動作の経過時間に基づいて、グラジオメトリック磁束キュービット１２の磁束状態を示すことができる。

図２は、グラジオメトリック磁束読み出し回路５０の一例を示している。グラジオメトリック読み出し回路５０は、図１の例のグラジオメトリック読み出し回路１４に対応することができ、従って、グラジオメトリック磁束キュービットシステム１０の一部とすることができる。従って、図２の例に関する以下の説明では、図１の例が参照される。

グラジオメトリック読み出し回路５０は、並列に配置された第１の読み出し磁束ループ５４および第２の読み出し磁束ループ５６を含むグラジオメトリックＳＱＵＩＤ５２を含む。第１の読み出し磁束ループ５４は、並列に配置された第１のジョセフソン接合Ｊ_１および第２のジョセフソン接合Ｊ_２を含む。同様に、第２の読み出し磁束ループ５６は、並列に配置された第１のジョセフソン接合Ｊ_１および第３のジョセフソン接合Ｊ_３を含み、第１、第２、および第３のジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３がすべて読み出しノード５８と、低電圧レール（例えば、接地）に接続されたノード６０との間に並列に配置される。本明細書でより詳細に説明するように、第１および第２の読み出し磁束ループ５４および５６は、第１および第２の読み出し磁束ループ５４および５６を通過するように供給される反対の極性の磁束に対応する磁束状態に応答して電流を伝搬するように構成される。

グラジオメトリック読み出し回路５０は、ノード６０に結合された第１のチューニング入力６２および第２のチューニング入力６４をも含む。グラジオメトリックＳＱＵＩＤ５２の磁束状態を設定するために、第１のチューニング入力６２は、第１のチューニング電圧Ｖ_Φ１を受信するように構成され、第２のチューニング入力６４は、第２のチューニング電圧Ｖ_Φ２を受信するように構成される。図２の例では、第１のチューニング入力６２は、第１の読み出し磁束ループ５４の一部に沿って、その一部の近位に延在し、第２のチューニング入力６４は、第２の読み出し磁束ループ５６の一部に沿って、その一部の近位に延在する。結果として、個々のチューニング電圧Ｖ_Φ１およびＶ_Φ２は、個々の第１および第２の読み出し磁束ループ５４および５６に電流を誘導することができ、従って、個々の第１および第２の読み出し磁束ループ５４および５６を通過する反対の極性の磁束に基づいてグラジオメトリックＳＱＵＩＤ５２の磁束状態を設定することができる。本明細書でより詳細に説明するように、関連するグラジオメトリック磁束キュービット（例えば、図１の例のグラジオメトリック磁束キュービット１２）の磁束状態は、第１および第２の読み出し磁束ループ５４および５６の反対の極性の磁束と相互作用して、ジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３の閾値に影響を与える。加えて、図２の例では、グラジオメトリック読み出し回路５０、即ち（本明細書でより詳細に示される）グラジオメトリック磁束キュービットシステム１０の平面製造を可能にするために、チューニング入力６２および６４は、グラジオメトリック読み出し回路５０の遠位部分に位置するものとして示される。

グラジオメトリック読み出し回路５０は、読み出し電流Ｉ_Ｂを生成するように構成された電流源６６をさらに含む。一例として、読み出し電流Ｉ_Ｂは、電流ランプとして生成することができ、従って、時間の関数として増加する振幅を有するように生成することができる。電流源６６は、低電圧レールと読み出しノード５８との間に配置され、従って、第１および第２の読み出し磁束ループ５４および５６を通過する、即ちジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３を通過する読み出し電流Ｉ_Ｂを供給することができる。読み出し電流Ｉ_Ｂに応答して、ジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３は、読み出しノード５８を電圧状態に設定するようにトリガーして、読み出し信号ＲＯをアサートするように構成される。例えば、第１および第２の読み出し磁束ループ５４および５６の反対の極性の磁束に対するグラジオメトリック磁束キュービット１２に関連する磁束の相互作用に基づいて、第１および第２の読み出し磁束ループ５４および５６の周りを伝搬する電流が増加または減少して、ジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３の閾値を同様に増加または減少させる。本明細書で説明されるように、ジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３の「閾値」は、ジョセフソン接合Ｊ_１を通過するように流れる第１および第２の磁束ループ５４および５６の電流の合計、またはジョセフソン接合Ｊ_２およびＪ_３を通過するように流れる第１および第２の磁束ループ５４および５６の電流に基づいて、ジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３をトリガーするのに必要な読み出し電流Ｉ_Ｂの振幅を指す。従って、読み出し電流Ｉ_Ｂの振幅、即ち状態読み出し動作中に経過した時間は、ジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３が電圧状態を提供するためにトリガーする時間、即ち読み出しノード５８における読み出し信号ＲＯのアサートを決定することができる。結果として、読み出し信号ＲＯのアサートの時間は、関連するグラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態の決定因子とすることができる。

図３は、グラジオメトリック磁束キュービット１０２の２つの磁束状態の例示的な略図１００を示している。略図１００に示されているグラジオメトリック磁束キュービット１０２は、図１の例のグラジオメトリック磁束キュービット１２に対応することができる。従って、図３の例に関する以下の説明では、図１の例が参照される。

グラジオメトリック磁束キュービット１０２は、互いに並列に配置された第１のキュービット磁束ループ１０４および第２のキュービット磁束ループ１０６を含み、第１のキュービット磁束ループ１０４および第２のキュービット磁束ループ１０６の各々が第１のジョセフソン接合Ｊ_４および第２のジョセフソン接合Ｊ_５を含む。グラジオメトリック磁束キュービット１０２は、ジョセフソン接合Ｊ_６およびＪ_７の並列セットをも含み、ジョセフソン接合Ｊ_６が第１のキュービット磁束ループ１０４に関連付けられ、ジョセフソン接合Ｊ_７が第２のキュービット磁束ループ１０６に関連付けられるようにする。図３の例では、略図１００は、１０８におけるグラジオメトリック磁束キュービット１０２の第１の磁束状態と、１１０におけるグラジオメトリック磁束キュービット１０２の第２の磁束状態とを示している。磁束状態１０８および１１０の各々において、グラジオメトリック磁束キュービット１０２は、個々のキュービット磁束ループ１０４および１０６を通過する反対の極性の磁束を有するものとして示されている。反対の極性の磁束の結果として、キュービット磁束ループ１０４および１０６は、１１２および１１４で示されるように、永久電流を互いに反対方向に伝搬する。従って、第１の磁束状態１０８では、第１のキュービット磁束ループ１０４は反時計回りの電流１１２を伝搬し、第２のキュービット磁束ループ１０６は時計回りの電流１１４を伝搬する。同様に、第２の磁束状態１１０では、第１のキュービット磁束ループ１０４は時計回りの電流１１２を伝搬し、第２のキュービット磁束ループ１０６は反時計回りの電流１１４を伝搬する。

図４は、グラジオメトリック磁束キュービットシステム１５０の一例を示している。グラジオメトリック磁束キュービットシステム１５０は、図１の例のグラジオメトリック磁束キュービットシステム１０に対応することができる。従って、図４の例に関する以下の説明では、図１〜図３の例が参照される。

グラジオメトリック磁束キュービットシステム１５０は、グラジオメトリック磁束キュービット１０２およびグラジオメトリック読み出し回路５０を備える。グラジオメトリック磁束キュービット１０２は、第１の磁束状態１０８を有し、第１のキュービット磁束ループ１０４が反時計回りの電流１１２を伝搬し、第２のキュービット磁束ループ１０６が時計回りの電流１１４を伝搬するものとして示されている。グラジオメトリック磁束キュービット１０２の磁束状態の読み出しを可能にするために、グラジオメトリック読み出し回路５０が、グラジオメトリック磁束キュービット１０２に近接して示されている。例えば、グラジオメトリック読み出し回路５０およびグラジオメトリック磁束キュービット１０２は、基板（図示せず）上に平面配置で製造することができる。グラジオメトリック読み出し回路５０は、個々のチューニング入力６２および６４においてチューニング電圧Ｖ_Φ１およびＶ_Φ２を受信して、個々の読み出し磁束ループ５４および５６の周りに、１５２および１５４で示される、差動磁束、即ち、反対方向の伝搬電流を供給するものとして示されている。

例えば、チューニング電圧Ｖ_Φ１およびＶ_Φ２の印加に基づいて、電流は、チューニング入力６２および６４に沿って伝搬して、１５６で示される、個々の第１および第２の読み出し磁束ループ５４および５６の一部へのチューニング入力６２および６４の誘導結合に応答して、個々の電流１５２および１５４を誘導することができる。図４の例では、電流１５２および１５４は、それぞれ時計回りおよび反時計回りに伝搬するものとして示されているが、電流１５２および１５４を反対の極性で供給するために、チューニング電圧Ｖ_Φ１およびＶ_Φ２を反対の極性（例えば、負）で供給することができることを理解されたい。加えて、グラジオメトリックＳＱＵＩＤ５２全体を通して、同じ極性のコモンモード磁束（例えば、α磁束）を供給するために、互いに反対の極性でチューニング電圧Ｖ_Φ１およびＶ_Φ２を供給することによって、グラジオメトリックＳＱＵＩＤ５２をさらにチューニングすることができる。従って、グラジオメトリックＳＱＵＩＤ５２は、様々な異なる方法でチューニングすることができる。

グラジオメトリック磁束キュービット１０２とグラジオメトリック読み出し回路５０のグラジオメトリックＳＱＵＩＤ５２との近接に基づいて、図４の例において、個々の誘導結合１５８によって示されるように、第１のキュービット磁束ループ１０４が第１の読み出し磁束ループ５４に誘導結合され、第２のキュービット磁束ループ１０６が第２の読み出し磁束ループ５６に誘導結合される。誘導結合１５８に基づいて、個々のキュービット磁束ループ１０４および１０６の磁束は、個々の読み出し磁束ループ５４および５６の磁束を変更することができる。結果として、グラジオメトリック磁束キュービット１０２の磁束状態は、読み出し磁束ループ５４および５６の周りを伝搬する個々の電流１５２および１５４の振幅を変更する。図４の例では、電流１１２および１１４は、電流１５２および１５４に関して反対方向に伝搬する。その結果、電流１５２および１５４の振幅は減少し、グラジオメトリックＳＱＵＩＤ５２のジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３の閾値が増加する。代替例として、グラジオメトリック磁束キュービット１０２が第２の磁束状態１１０を有する場合、電流１１２および１１４は、電流１５２およびφ１５４に関して同じ方向に伝搬する。その結果、代替例では、電流１５２および１５４の振幅が増加して、グラジオメトリックＳＱＵＩＤ５２のジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３の閾値が減少する。従って、ジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３の閾値は、ジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３をトリガーするのに十分な読み出し電流Ｉ_Ｂの振幅、即ち、ジョセフソン接合部Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３をトリガーするための状態読み出し動作の経過時間に対応する。ジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３がトリガーされると、グラジオメトリック磁束キュービット１０２の磁束状態を示すように読み出し信号ＲＯがアサートされる。

図５は、グラフ２００の一例を示している。グラフ２００は、時間の関数として電流振幅を示している。グラフ２００は、ゼロの振幅からＩ_ＭＡＸの振幅までの電流ランプとしてプロットされた電流Ｉ_Ｂを示している。図５の例では、読み出し電流Ｉ_Ｂは、時間Ｔ０でゼロ振幅で状態読み出し動作を開始し、時間Ｔ_ＭＡＸで振幅Ｉ_ＭＡＸまで直線的に増加するものとして示されている。従って、状態読み出し動作は、時間Ｔ_ＭＡＸで終了し、Ｔ_ＭＡＸまでの合計期間を有することができる。

図５の例では、現在の振幅は、第１の振幅Ｉ_ＴΦ１および第２の振幅Ｉ_ＴΦ２を有するものとして示されている。第１の振幅Ｉ_ＴΦ１は、電流１５２および１５４に関して同じ方向に伝搬する電流１１２および１１４から生じる、グラジオメトリック磁束キュービット１０２の第２の磁束状態１１０におけるジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３に関連する閾値に対応することができる。結果として、グラジオメトリック磁束キュービット１０２が第２の磁束状態１１０にある場合、誘導結合１５８を介した第１および第２の読み出し磁束ループ５４および５６の磁束の変更に基づいてジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３の閾値が減少し、その結果、電流１５２および１５４の振幅が増加する。従って、グラジオメトリック磁束キュービット１０２が第２の磁束状態１１０にある場合、ジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３は、状態読み出し動作の開始からの比較的短い経過時間に対応する時間Ｔ_１においてトリガーし始める。このため、状態読み出し動作の開始後およそ時間Ｔ_１においてアサートされる（例えば、立ち上がりエッジを有する）読み出し信号ＲＯは、グラジオメトリック磁束キュービット１０２が第２の磁束状態１１０であることを示すことができる。

別の例として、第２の振幅Ｉ_ＴΦ２は、電流１５２および１５４に関して反対方向に伝搬する電流１１２および１１４から生じる、グラジオメトリック磁束キュービット１０２の第１の磁束状態１０８におけるジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３に関連する閾値に対応することができる。結果として、グラジオメトリック磁束キュービット１０２が第１の磁束状態１０８にある場合、誘導結合１５８を介した第１および第２の読み出し磁束ループ５４および５６の磁束の変更に基づいてジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３の閾値が増加し、電流１５２および１５４の振幅が減少する。従って、グラジオメトリック磁束キュービット１０２が第１の磁束状態１０８にある場合、ジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３は、状態読み出し動作の開始からの比較的長い経過時間に対応する時間Ｔ_２においてトリガーし始める。このため、状態読み出し動作の開始後およそ時間Ｔ_２においてアサートされる（例えば、立ち上がりエッジを有する）読み出し信号ＲＯは、グラジオメトリック磁束キュービット１０２が第１の磁束状態１０８にあることを示すことができる。

従って、図１〜図５の例は、グラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態を読み出すためのグラジオメトリック読み出し回路を示している。本明細書で説明するグラジオメトリック読み出し回路はグラジオメトリック配置を有しているため、グラジオメトリック読み出し回路のグラジオメトリックＳＱＵＩＤの誘導結合は、平面的に配置された典型的な非グラジオメトリック読み出し回路よりもより強力にグラジオメトリック磁束キュービットに誘導結合することができる。特に、典型的な非グラジオメトリック読み出し回路の設計は、単一のループのみを含み、従って、外部コモンモード磁束（例えば、α磁束）の影響を受けやすく、個々のグラジオメトリック磁束キュービットのループのうちの単一の１つにのみ誘導結合することができる。しかしながら、本明細書に記載のグラジオメトリック読み出し回路（例えば、グラジオメトリック読み出し回路５０）は、グラジオメトリックＳＱＵＩＤを有するものとして構成されているため、本明細書のグラジオメトリック読み出し回路は、磁束電流（例えば、電流１５２および１５４）に対する外部磁束の影響に関して外部磁束の影響を受けにくい。これは、任意の外部磁束がジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３の閾値に影響を及ぼさず、同時に、ジョセフソン接合Ｊ_１、Ｊ_２、およびＪ_３の閾値のグラジオメトリック磁束キュービット１０２の磁束状態に対する感度を維持するように、チューニング電圧Ｖ_Φ１およびＶ_Φ２を設定することによって、グラジオメトリックＳＱＵＩＤ５２をチューニングすることができるからである。さらに、グラジオメトリックＳＱＵＩＤ５２は、チューニング電圧Ｖ_Φ１およびＶ_Φ２によって容易かつ柔軟にチューニングされるため、通常のグラジオメトリック読み出し回路よりも優れた、より柔軟な動作を提供することができる。さらに、グラジオメトリック磁束キュービットシステム１５０は、基板上に平面的に単一層上に製造することができるため、グラジオメトリック磁束キュービットシステム１５０は、配線のクロスオーバーなしで製造して、配線誘電体から生じるデコヒーレンスを実質的に緩和することができる。

上述した構造的および機能的特徴を考慮して、本発明の様々な態様による方法は、図６を参照してよりよく理解されるであろう。説明を簡単にするために、図６の方法は連続して実行されるように示され、説明されているが、本発明は、例示された順序に限定されることはなく、本発明に従っていくつかの態様が、本明細書に示され、説明された態様とは異なる順序で、および／または他の態様と同時に発生することができることを理解および認識されたい。さらに、本発明の一態様による方法を実施するために、例示されたすべての特徴が必要とされるわけではない。

図６は、グラジオメトリック磁束キュービット（例えば、グラジオメトリック磁束キュービット１２）の磁束状態を読み出すための方法２５０の一例を示している。２５２において、チューニング電圧（例えば、チューニング電圧Ｖ_Φ）が、グラジオメトリック超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）（例えば、グラジオメトリックＳＱＵＩＤ１６）に供給されて、グラジオメトリックＳＱＵＩＤに関連する少なくとも１つの読み出し磁束ループ（例えば、読み出し磁束ループ５４および５６）を設定する。グラジオメトリックＳＱＵＩＤは、グラジオメトリック磁束キュービットと誘導結合される。２５４において、状態読み出し動作中に、グラジオメトリックＳＱＵＩＤを通過する読み出し電流（例えば、読み出し電流Ｉ_Ｂ）が供給される。２５６において、グラジオメトリックＳＱＵＩＤに接続された読み出しノード（例えば、読み出しノード５８）において電圧状態（例えば、読み出し信号ＲＯ）が検出されて、少なくとも１つの読み出し磁束ループの磁束状態に基づくグラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態を決定する。

上述したものは、本発明の例である。当然ながら、本発明を説明するために考えられるコンポーネントまたは方法のすべての組み合わせを説明することはできないが、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の技術思想および範囲内にあるそのようなすべての変更、修正、および変形を包含することを意図している。

上述したものは、本発明の例である。当然ながら、本発明を説明するために考えられるコンポーネントまたは方法のすべての組み合わせを説明することはできないが、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の技術思想および範囲内にあるそのようなすべての変更、修正、および変形を包含することを意図している。
以下に、上記実施形態から把握できる技術思想を付記として記載する。
［付記１］
磁束キュービットシステムであって、
第１のキュービット磁束ループと第２のキュービット磁束ループとを含むグラジオメトリック磁束キュービットと、
磁束キュービット読み出し回路であって、
前記第１のキュービット磁束ループに誘導結合された第１の読み出し磁束ループと、
前記第２のキュービット磁束ループに誘導結合され、かつ読み出しノードと電圧基準ノードとの間にグラジオメトリック磁束構成で第１の磁束ループと並列に配置された第２の読み出し磁束ループと、
状態読み出し中に、前記第１および第２の読み出し磁束ループに読み出し電流を供給して、前記グラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態を決定するように構成された電流源とを含む前記磁束キュービット読み出し回路とを備え、前記磁束状態は読み出しノードにおいて決定される、磁束キュービットシステム。
［付記２］
前記第１の読み出し磁束ループは、第１のジョセフソン接合および第２のジョセフソン接合を含み、前記第２の読み出し磁束ループは、前記第１のジョセフソン接合および第３のジョセフソン接合を含み、前記第１および第２の読み出し磁束ループの前記第１および第２のキュービット磁束ループの個々への誘導結合により、前記第１および第２の読み出し磁束ループの各々の磁束状態が変更されて、前記読み出し電流が、前記第１および第２の読み出し磁束ループの各々の変更された磁束状態に基づいて前記第１、第２、および第３のジョセフソン接合をトリガーするように構成される、付記１に記載の方法。
［付記３］
前記磁束キュービット読み出し回路は、
前記第１の読み出し磁束ループに接続され、かつ第１のチューニング電圧に応答して前記第１の読み出し磁束ループの磁束状態を設定するように構成された第１のチューニング入力と、
前記第２の読み出し磁束ループに接続され、かつ第２のチューニング電圧に応答して前記第２の読み出し磁束ループの磁束状態を設定するように構成された第２のチューニング入力とをさらに含む、付記１に記載のシステム。
［付記４］
状態読み出し動作中に、電圧状態が前記読み出しノードにおいて提供される前の経過時間に基づいて前記グラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態が決定されるように、前記電流源が、電流ランプとして前記読み出し電流を生成するように構成される、付記１に記載のシステム。
［付記５］
前記磁束キュービット読み出し回路は、基板上に実質的に平面構成で製造される、付記１に記載のシステム。

Claims

磁束キュービット読み出し回路であって、
グラジオメトリック磁束キュービットと誘導結合して、磁束キュービットの磁束状態に基づいてグラジオメトリック超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）に関連する磁束を変更するように構成されたグラジオメトリック超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）と、
状態読み出し動作中に、前記グラジオメトリックＳＱＵＩＤを通過する読み出し電流を供給して、読み出しノードにおいて前記グラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態を決定するように構成された電流源とを備える磁束キュービット読み出し回路。
前記グラジオメトリックＳＱＵＩＤは、
第１のジョセフソン接合および第２のジョセフソン接合を含む第１の読み出し磁束ループと、
前記第１のジョセフソン接合および第３のジョセフソン接合を含む第２の読み出し磁束ループとを含み、前記第２の読み出し磁束ループは、読み出しノードと電圧基準ノードとの間に前記第１の読み出し磁束ループと並列に配置される、請求項１に記載の回路。
前記第１、第２、および第３のジョセフソン接合が読み出し電流に応答してトリガーされて、前記読み出しノードにおいて電圧状態を提供するように、前記第１の読み出し磁束ループおよび前記第２の読み出し磁束ループが、前記読み出しノードと電圧基準ノードの間に配置される、請求項２に記載の回路。
前記第１の読み出し磁束ループに接続され、第１のチューニング電圧に応答して前記第１の読み出し磁束ループの磁束状態を設定するように構成された第１のチューニング入力と、
前記第２の読み出し磁束ループに接続され、第２のチューニング電圧に応答して前記第２の読み出し磁束ループの磁束状態を設定するように構成された第２のチューニング入力とをさらに備える、請求項２に記載の回路。
前記グラジオメトリック磁束キュービットの前記第１および第２の読み出し磁束ループへの誘導結合によって、前記第１および第２の読み出し磁束ループの各々の磁束状態が変更されて、読み出し電流が、変更された磁束状態に基づいて前記第１、第２、および第３のジョセフソン接合をトリガーするように構成されるようにする、請求項４に記載の回路。
前記状態読み出し動作中に、前記第１、第２、および第３のジョセフソン接合のうちの少なくとも１つが読み出し電流に応答してトリガーされて、前記読み出しノードにおいて電圧状態を提供する前の経過時間に基づいて前記グラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態が決定されるように、前記電流源が、電流ランプとして前記読み出し電流を生成するように構成される、請求項２に記載の回路。
前記第１の読み出し磁束ループは、前記グラジオメトリック磁束キュービットに関連する第１のキュービット磁束ループに誘導結合され、前記第２の読み出し磁束ループは、前記グラジオメトリック磁束キュービットに関連する第２のキュービット磁束ループに誘導結合されて、前記第１の読み出し磁束ループと前記第１のキュービット磁束ループの誘導結合によって前記第１の読み出し磁束ループにおける第１の電流の振幅が変更され、前記第２の読み出し磁束ループと前記第２のキュービット磁束ループの誘導結合によって前記第２の読み出し磁束ループにおける第２の電流の振幅が変更されるようにし、前記第１および第２の電流の振幅は、前記第１、第２、および第３のジョセフソン接合の閾値振幅に影響を及ぼす、請求項２に記載の回路。
前記磁束キュービット読み出し回路は、基板上に実質的に平面構成で製造される、請求項１に記載の回路。
前記状態読み出し動作中に、電圧状態が前記読み出しノードにおいて提供される前の経過時間に基づいて前記グラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態が決定されるように、前記電流源が、電流ランプとして前記読み出し電流を生成するように構成される、請求項１に記載の回路。
請求項１に記載の磁束キュービット回路を備える磁束キュービットシステムであって、グラジオメトリック磁束キュービットをさらに備える磁束キュービットシステム。
グラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態を読み出す方法であって、
グラジオメトリック超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）にチューニング電圧を供給して、前記グラジオメトリックＳＱＵＩＤに関連する少なくとも１つの読み出し磁束ループの磁束状態を設定するステップと、前記グラジオメトリックＳＱＵＩＤは、前記グラジオメトリック磁束キュービットと誘導結合され、
状態読み出し動作中に、前記グラジオメトリックＳＱＵＩＤを通過する読み出し電流を供給するステップと、
前記グラジオメトリックＳＱＵＩＤに接続された読み出しノードにおける電圧状態を検出して、前記少なくとも１つの読み出し磁束ループの磁束状態に基づく前記グラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態を決定するステップとを含む方法。
前記グラジオメトリックＳＱＵＩＤが
第１のジョセフソン接合および第２のジョセフソン接合を含む第１の読み出し磁束ループと、
前記第１のジョセフソン接合および第３のジョセフソン接合を含む第２の読み出し磁束ループとを含み、前記第２の読み出し磁束ループは、読み出しノードと電圧基準ノードとの間に前記第１の読み出し磁束ループと並列に配置される、請求項１１に記載の方法。
前記チューニング電圧を供給することは、
第１のチューニング入力を介して前記第１の読み出し磁束ループに第１のチューニング電圧を供給して、前記第１の読み出し磁束ループの磁束状態を設定すること、
第２のチューニング磁束入力を介して前記第２の読み出し磁束ループに第２のチューニング電圧を供給して、前記第２の読み出し磁束ループの磁束状態を設定することを含み、前記第１および第２の読み出し磁束ループの各々の磁束状態が、前記グラジオメトリック磁束キュービットの前記第１および第２の読み出し磁束ループへの誘導結合に基づいて変更されて、読み出し電流が、変更された磁束状態に基づいて前記第１、第２、および第３のジョセフソン接合をトリガーするように構成されるようにする、請求項１２に記載の方法。
前記第１の読み出し磁束ループは、前記グラジオメトリック磁束キュービットの第１のキュービット磁束ループに誘導結合されて、前記第１の読み出し磁束ループの磁束状態を変更し、前記第２の読み出し磁束ループは、前記グラジオメトリック磁束キュービットの第２のキュービット磁束ループに誘導結合されて、前記第２の読み出し磁束ループの磁束状態を変更する、請求項１２に記載の方法。
前記読み出し電流を供給することは、電流ランプとして前記読み出し電流を生成することを含み、前記読み出しノードにおける電圧状態を検出することは、前記状態読み出し動作中に、前記読み出し電流に応答して前記グラジオメトリックＳＱＵＩＤに関連する少なくとも１つのジョセフソン接合がトリガーされて、前記読み出しノードにおいて電圧状態を提供する前の経過時間を監視することを含む、請求項１１に記載の方法。
磁束キュービットシステムであって、
第１のキュービット磁束ループと第２のキュービット磁束ループとを含むグラジオメトリック磁束キュービットと、
磁束キュービット読み出し回路であって、
前記第１のキュービット磁束ループに誘導結合された第１の読み出し磁束ループと、
前記第２のキュービット磁束ループに誘導結合され、かつ読み出しノードと電圧基準ノードとの間にグラジオメトリック磁束構成で第１の磁束ループと並列に配置された第２の読み出し磁束ループと、
状態読み出し中に、前記第１および第２の読み出し磁束ループに読み出し電流を供給して、前記グラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態を決定するように構成された電流源とを含む前記磁束キュービット読み出し回路とを備え、前記磁束状態は読み出しノードにおいて決定される、磁束キュービットシステム。
前記第１の読み出し磁束ループは、第１のジョセフソン接合および第２のジョセフソン接合を含み、前記第２の読み出し磁束ループは、前記第１のジョセフソン接合および第３のジョセフソン接合を含み、前記第１および第２の読み出し磁束ループの前記第１および第２のキュービット磁束ループの個々への誘導結合により、前記第１および第２の読み出し磁束ループの各々の磁束状態が変更されて、前記読み出し電流が、前記第１および第２の読み出し磁束ループの各々の変更された磁束状態に基づいて前記第１、第２、および第３のジョセフソン接合をトリガーするように構成される、請求項１６に記載の方法。
前記磁束キュービット読み出し回路は、
前記第１の読み出し磁束ループに接続され、かつ第１のチューニング電圧に応答して前記第１の読み出し磁束ループの磁束状態を設定するように構成された第１のチューニング入力と、
前記第２の読み出し磁束ループに接続され、かつ第２のチューニング電圧に応答して前記第２の読み出し磁束ループの磁束状態を設定するように構成された第２のチューニング入力とをさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
状態読み出し動作中に、電圧状態が前記読み出しノードにおいて提供される前の経過時間に基づいて前記グラジオメトリック磁束キュービットの磁束状態が決定されるように、前記電流源が、電流ランプとして前記読み出し電流を生成するように構成される、請求項１６に記載のシステム。
前記磁束キュービット読み出し回路は、基板上に実質的に平面構成で製造される、請求項１６に記載のシステム。