JP2021515395A - 超伝導伝送線路を共振器のアレイに結合するためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技術分野
本開示は、概して、超伝導量子コンピュータ及び超伝導古典的コンピュータなどの超伝導デバイスのための入力及び/又は出力システム及び方法に関し、具体的にはデータを超伝導量子プロセッサに入力し、及び/又は超伝導量子プロセッサ内の量子ビットの状態を測定するためのシステム及び方法に関する。
超伝導マイクロ波共振器は、限定しないが、量子計算及び天文学を含む多様な分野において使用されてきた。例えば、量子計算では、超伝導共振器が量子ビットの状態を検出するために使用されてきた。天文学では、超伝導マイクロ波共振器がマイクロ波運動インダクタンス検出器(MKID)において使用されてきた。いずれの場合にも、多くの共振器(検出器として使用されるか又は検出器内で使用される)が共通伝送線路に結合され、且つ周波数領域多重化を介して一体化され得る。周波数領域多重化(FDM)は、通信帯域が多くの非重畳副帯域に分割され、且つ各副帯域が別個の信号を運ぶために使用される技術である。
周波数多重化共振器(FMR)技術は、多くの単一の磁束量子を同時に読み出すために使用され得、超伝導量子計算と超伝導古典的計算との両方における用途を有する。FMR技術は、データを(例えば、量子磁束パラメトロン(QFP)デバイスを介して)超伝導量子プロセッサに入力する際の用途も有し得る。FMR技術は、例えば、スケーリング可能入力/出力技術を提供し得る。
添付図面では、同一の参照符号は、同様の素子又は行為を識別する。添付図面における素子の寸法及び相対位置は、必ずしも原寸に比例して描かれていない。例えば、様々な素子の形状及び角度は、必ずしも原寸に比例して描かれておらず、これらの素子のいくつかは、図面の読み易さを改善するために任意に拡大及び配置される。さらに、描かれた素子の特定の形状は、特定の素子の実際の形状に関するいかなる情報も伝えるように必ずしも意図されておらず、添付図面における認識の容易さのために専ら選択されている。
用語集
量子ビット(qubit):量子ビット(本出願では量子ビット(quantum bit)としても参照される)は、量子情報の基本単位であり、2状態デバイスにより物理的に実現され得る古典的2進ビットの量子バージョンである。量子ビットは、2状態量子力学システムである。量子ビットは、情報が格納される実際の物理的デバイスも指す。例えば、超伝導量子ビットは、超伝導集積回路内に含まれ得るタイプの超伝導デバイスである。超伝導量子ビットは、例えば、電荷ベース又は磁束ベース量子ビットの形式を取り得る。
以下の説明では、様々な開示される実施形態を詳細に理解するためにいくつかの具体的な詳細が含まれる。しかしながら、当業者は、実施形態が、これらの特定の詳細の1つ又は複数の詳細なしに又は他の方法、部品、材料等により実行され得ることを認識することになる。他の例では、超伝導回路又は共振器に関連する周知の構造は、本方法の実施形態の説明を不必要に曖昧にしないように図示又は説明されていない。本明細書及び添付の特許請求の範囲を通じて、用語「1つの素子」及び「複数の素子」は、限定するものではないが、超伝導回路及び共振器に関連するすべてのこのような構造、システム及びデバイスを包含するように使用される。
図1Aは、少なくとも1つの第1の例示的実施形態による超伝導共振器102を含む超伝導回路100aを示す。超伝導共振器102は、ディスクリートコンデンサ及びインダクタの形式をそれぞれ取っても取らなくてもよい容量104及びインダクタンス106を含む。
ここで、Cは、容量104の値であり、Lは、幾何学的インダクタンス106と、SQUIDループ108内のジョセフソン接合108−1、108−2からのジョセフソンインダクタンスの並列和との合計である。
図2Aは、共振器周波数と感度とを独立にチューニングすることができる2つのSQUIDループを有する超伝導共振器202aを含む、少なくとも1つの実施形態による超伝導回路200aを示す。超伝導共振器202aは、2つのSQUIDループ204a、204bを含む。SQUIDループ204a、204bのそれぞれは、DC SQUIDであり、超伝導ループを形成するために互いに平行なジョセフソン接合の対を含む。SQUIDループ204a、204bは、有利には、PCT特許出願国際公開第2016US31885号(国際公開第2016183213A1号として発行された)に記載のように、SQUIDループ204a、204b内の磁束バイアスを調整することにより、超伝導共振器202aの共振周波数と感度との独立チューニングを可能にする。
図3は、少なくとも1つの例示的実施形態による超伝導回路302の読み出しシステム300を示す。図示された実施形態では、超伝導回路302は、図2Aの超伝導共振器202aなどの1つ又は複数の超伝導共振器(図3に示さず)を含む。図示された実施形態では、超伝導回路302は、超伝導量子プロセッサを含む。他の実施形態では、超伝導回路302は、超伝導古典的プロセッサを含む。他の実施形態では、超伝導回路302は、超伝導デバイスを含む。
x(n)=I(n)+jQ(n) (3)
ここで、I(n)は、ADC312aの出力であり、Q(n)は、ADC312bの出力である。
図4は、上述のようなFMR技術を取り込み得る少なくとも1つの例示的実施形態によるハイブリッドコンピュータシステム400(デジタルコンピュータ402及び量子コンピュータ404を含む)を示す。
周波数多重化共振読み出し(FMRR)システムは、高速読み出しを行うために超伝導伝送線路に強く結合された超伝導シャント結合共振器のアレイを使用し得る。FMRRシステムは、量子コンピュータ(例えば、量子アニーラ)の読み出しを行い得る。
Lcomp=Z0 2Ceff (7)
ここで、Z0は、伝送線路の特性インピーダンスであり、Ceffは、シャント結合共振器の実効容量である。
Claims (72)
- 少なくとも1つの伝送線路インダクタンスを含む伝送線路;
超伝導共振器;
前記超伝導共振器を前記伝送線路に通信可能に結合する結合容量
を含む超伝導回路。 - 前記超伝導共振器は、
超伝導経路を介して前記伝送線路と第1のノードとの間に結合されるシャント容量;
超伝導経路を介して前記伝送線路と前記第1のノードとの間に結合される共振器インダクタンスであって、前記超伝導共振器の前記シャント容量と並列である共振器インダクタンス;
超伝導経路を介して前記共振器インダクタンスと前記第1のノードとの間に結合される第1のDC超伝導量子干渉デバイス(SQUID)であって、前記超伝導共振器の前記シャント容量と並列であり、且つ前記超伝導共振器の前記共振器インダクタンスと直列である第1のDC超伝導量子干渉デバイス(SQUID);及び
超伝導経路を介して前記第1のDC SQUIDと前記第1のノードとの間に結合される第2のDC超伝導量子干渉デバイス(SQUID)であって、前記超伝導共振器の前記シャント容量と並列であり、且つ前記超伝導共振器の前記共振器インダクタンスと直列であり、且つ前記超伝導共振器の前記第1のDC SQUIDと直列である第2のDC超伝導量子干渉デバイス(SQUID)
を含む、請求項1に記載の超伝導回路。 - 第1の磁束バイアスを前記第1のDC SQUIDに印可するように動作可能な第1のインターフェースと、第2の磁束バイアスを前記第2のDC SQUIDに印可するように動作可能な第2のインターフェースとをさらに含む、請求項2に記載の超伝導回路。
- 前記シャント容量の値は、前記結合容量の値より少なくとも1桁大きいように選択される、請求項2に記載の超伝導回路。
- 前記第1のノードは、超伝導経路を介してアースに電気的に結合される、請求項2に記載の超伝導回路。
- 前記少なくとも1つの伝送線路インダクタンスの値は、前記超伝導共振器と前記伝送線路との間の結合強度の変動を少なくとも部分的に補償するように選択される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 前記少なくとも1つの伝送線路インダクタンスは、
前記超伝導共振器の上流の第1のインダクタンス;及び
前記超伝導共振器の下流の第2のインダクタンス
を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超伝導回路。 - 前記伝送線路は、前記第1のインダクタンス及び前記第2のインダクタンスを含む中心線路を含む、請求項7に記載の超伝導回路。
- 前記第1のインダクタンス及び前記第2のインダクタンスの少なくとも1つは、集中素子インダクタンスである、請求項7に記載の超伝導回路。
- 前記第1のインダクタンス及び前記第2のインダクタンスの少なくとも1つは、運動インダクタンスである、請求項7に記載の超伝導回路。
- 前記第1のインダクタンス及び前記第2のインダクタンスの前記少なくとも1つの値は、前記超伝導共振器と前記伝送線路との間の結合強度の変動を少なくとも部分的に補償するように選択される、請求項7に記載の超伝導回路。
- 前記伝送線路は、前記伝送線路インダクタンスを含む中心線路を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 前記伝送線路インダクタンスは、集中素子インダクタンスである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 前記伝送線路インダクタンスは、運動インダクタンスである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 前記超伝導共振器は、前記伝送線路に強結合される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 前記伝送線路は、同軸伝送線路である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 前記伝送線路は、コプラナ導波管である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 量子デバイスからデータを読み出すように動作可能である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- データを量子デバイス内にロードするように動作可能である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 前記伝送線路インダクタンスは、前記超伝導共振器に近接する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- シフトレジスタ段;及び
磁束バイアスを前記シフトレジスタ段に印加するように動作可能なインターフェース
をさらに含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超伝導回路。 - 前記超伝導共振器は、超伝導共振器のアレイ内の複数の超伝導共振器の1つであり、前記複数の超伝導共振器のそれぞれは、前記伝送線路に結合される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 前記伝送線路は、マイクロ波伝送線路であり、及び前記超伝導共振器は、マイクロ波超伝導共振器である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 超伝導回路の組み立ての方法であって、
ある長さを有する伝送線路を提供すること;
超伝導共振器を提供すること;
結合容量を介して前記超伝導共振器を前記伝送線路に通信可能に結合すること;及び
少なくとも1つの伝送線路インダクタンスを前記伝送線路内に導入すること
を含み、前記少なくとも1つの伝送線路インダクタンスの値は、前記伝送線路の特性インピーダンスの変動を少なくとも部分的に補償するように選択され、前記変動は、前記結合容量によって少なくとも部分的に引き起こされる、方法。 - 超伝導共振器を提供することは、
超伝導経路を介して前記伝送線路と第1のノードとの間に結合されるシャント容量を提供すること;
超伝導経路を介して前記伝送線路と前記第1のノードとの間に結合される共振器インダクタンスであって、前記超伝導共振器の前記シャント容量と並列である共振器インダクタンスを提供すること;
超伝導経路を介して前記共振器インダクタンスと前記第1のノードとの間に結合される第1のDC超伝導量子干渉デバイス(SQUID)であって、前記超伝導共振器の前記シャント容量と並列であり、且つ前記超伝導共振器の前記共振器インダクタンスと直列である第1のDC超伝導量子干渉デバイス(SQUID)を提供すること;及び
超伝導経路を介して前記第1のDC SQUIDと前記第1のノードとの間に結合される第2のDC超伝導量子干渉デバイス(SQUID)であって、前記超伝導共振器の前記シャント容量と並列であり、且つ前記超伝導共振器の前記共振器インダクタンスと直列であり、且つ前記超伝導共振器の前記第1のDC SQUIDと直列である第2のDC超伝導量子干渉デバイス(SQUID)を提供すること
を含む、請求項24に記載の方法。 - シャント容量を提供することは、前記シャント容量の値を、前記結合容量の値より少なくとも1桁大きいように選択することを含む、請求項25に記載の方法。
- 超伝導経路を介して前記伝送線路と第1のノードとの間に結合されるシャント容量を提供することは、超伝導経路を介して前記第1のノードをアースに電気的に結合することを含む、請求項25に記載の方法。
- 少なくとも1つの伝送線路インダクタンスを前記伝送線路内に導入することは、前記少なくとも1つの伝送線路インダクタンスの値を、前記超伝導共振器と前記伝送線路との間の結合強度の変動を少なくとも部分的に補償するように選択することを含む、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。
- 少なくとも1つの伝送線路インダクタンスを導入することは、
前記超伝導共振器の上流に第1のインダクタンスを導入すること;及び
前記超伝導共振器の下流に第2のインダクタンスを導入すること
を含む、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。 - ある長さを有する伝送線路を提供することは、前記第1のインダクタンス及び前記第2のインダクタンスを含む中心線路を含む伝送線路を提供することを含む、請求項29に記載の方法。
- 前記第1のインダクタンス及び前記第2のインダクタンスの少なくとも1つを導入することは、集中素子インダクタンスを導入することを含む、請求項29に記載の方法。
- 前記第1のインダクタンス及び前記第2のインダクタンスの少なくとも1つを導入することは、運動インダクタンスを導入することを含む、請求項29に記載の方法。
- 前記第1のインダクタンス及び前記第2のインダクタンスの少なくとも1つを導入することは、前記第1のインダクタンス及び前記第2のインダクタンスの少なくとも1つの値を、前記超伝導共振器と前記伝送線路との間の結合強度の変動を少なくとも部分的に補償するように選択することを含む、請求項29に記載の方法。
- ある長さを有する伝送線路を提供することは、前記伝送線路インダクタンスを含む中心線路を含む伝送線路を提供することを含む、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。
- 少なくとも1つの伝送線路インダクタンスを前記伝送線路内に導入することは、集中素子インダクタンスを導入することを含む、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。
- 少なくとも1つの伝送線路インダクタンスを前記伝送線路内に導入することは、運動インダクタンスを導入することを含む、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。
- 結合容量を介して前記超伝導共振器を前記伝送線路に通信可能に結合することは、前記結合容量を介して前記超伝導共振器と前記伝送線路との間に強い通信可能結合を提供することを含む、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。
- ある長さを有する伝送線路を提供することは、同軸伝送線路を提供することを含む、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。
- ある長さを有する伝送線路を提供することは、コプラナ導波管を提供することを含む、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超伝導回路を量子デバイスに通信可能に結合することをさらに含み、前記超伝導回路は、前記量子デバイスからデータを読み出すように動作可能である、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超伝導回路を量子デバイスに通信可能に結合することをさらに含み、前記超伝導回路は、データを前記量子デバイス内にロードするように動作可能である、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。
- 少なくとも1つの伝送線路インダクタンスを導入することは、前記超伝導共振器に近接した少なくとも1つの伝送線路インダクタンスを導入することを含む、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。
- 超伝導共振器を提供することは、第1の磁束バイアスを前記第1のDC SQUIDに印可するように動作可能な第1のインターフェースと、第2の磁束バイアスを前記第2のDC SQUIDに印可するように動作可能な第2のインターフェースとを提供することをさらに含む、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。
- シフトレジスタ段を提供すること;及び
磁束バイアスを前記シフトレジスタ段に印加するように動作可能なインターフェースを提供すること
をさらに含む、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。 - 超伝導共振器を提供することは、超伝導共振器のアレイ内の複数の超伝導共振器の1つを提供することを含み、前記複数の超伝導共振器のそれぞれは、前記伝送線路に結合される、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。
- ある長さを有する伝送線路を提供することは、マイクロ波伝送線路を提供することを含み、及び超伝導共振器を提供することは、マイクロ波超伝導共振器を提供することを含む、請求項24〜27のいずれか一項に記載の方法。
- 超伝導回路の組み立ての方法であって、
ある長さを有する伝送線路を提供すること;
超伝導共振器を提供すること;及び
結合容量を介して前記超伝導共振器を前記伝送線路に通信可能に結合すること
を含み、結合容量を介して前記超伝導共振器を前記伝送線路に通信可能に結合することは、前記伝送線路の前記長さに沿って前記結合容量を分散させることを含む、方法。 - 前記伝送線路の前記長さに沿って前記結合容量を分散させることは、単位長さ当たりの前記結合容量の測度を少なくとも低減するように前記結合容量を分散させることを含む、請求項47に記載の方法。
- 前記伝送線路の前記長さに沿って前記結合容量を分散させることは、前記伝送線路の特性インピーダンスの変動を少なくとも低減するように前記結合容量を分散させることを含み、前記変動は、前記結合容量によって少なくとも部分的に引き起こされる、請求項47に記載の方法。
- 結合容量を介して前記超伝導共振器を前記伝送線路に通信可能に結合することは、前記結合容量を介して前記超伝導共振器と前記伝送線路との間に強い通信可能結合を提供することを含む、請求項47に記載の方法。
- 超伝導共振器を提供することは、
超伝導経路を介して前記伝送線路と第1のノードとの間に結合されるシャント容量を提供すること;
超伝導経路を介して前記伝送線路と前記第1のノードとの間に結合される共振器インダクタンスであって、前記超伝導共振器の前記シャント容量と並列である共振器インダクタンスを提供すること;
超伝導経路を介して前記共振器インダクタンスと前記第1のノードとの間に結合される第1のDC超伝導量子干渉デバイス(SQUID)であって、前記超伝導共振器の前記シャント容量と並列であり、且つ前記超伝導共振器の前記共振器インダクタンスと直列である第1のDC超伝導量子干渉デバイス(SQUID)を提供すること;及び
超伝導経路を介して前記第1のDC SQUIDと前記第1のノードとの間に結合される第2のDC超伝導量子干渉デバイス(SQUID)であって、前記超伝導共振器の前記シャント容量と並列であり、且つ前記超伝導共振器の前記共振器インダクタンスと直列であり、且つ前記超伝導共振器の前記第1のDC SQUIDと直列である第2のDC超伝導量子干渉デバイス(SQUID)を提供すること
を含む、請求項47〜50のいずれか一項に記載の方法。 - シャント容量を提供することは、前記シャント容量の値を、前記結合容量の値より少なくとも1桁大きいように選択することを含む、請求項51に記載の方法。
- ある長さを有する伝送線路を提供することは、同軸伝送線路を提供することを含む、請求項47〜50のいずれか一項に記載の方法。
- ある長さを有する伝送線路を提供することは、コプラナ導波管を提供することを含む、請求項47〜50のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超伝導回路を量子デバイスに通信可能に結合することをさらに含み、前記超伝導回路は、前記量子デバイスからデータを読み出すように動作可能である、請求項47〜50のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超伝導回路を量子デバイスに通信可能に結合することをさらに含み、前記超伝導回路は、データを前記量子デバイス内にロードするように動作可能である、請求項47〜50のいずれか一項に記載の方法。
- 少なくとも1つの伝送線路容量を含む伝送線路;
超伝導共振器;
前記超伝導共振器を前記伝送線路に誘導的に通信可能に結合する結合インダクタンス
を含む超伝導回路。 - 前記超伝導共振器は、
超伝導材料のループ
を含み、前記超伝導材料のループは、
前記伝送線路と第1のDC超伝導量子干渉デバイス(SQUID)との間に結合される第1の共振器インダクタンス;
前記第1のDC SQUIDと共振器容量との間に結合される第2のDC超伝導量子干渉デバイス(SQUID);及び
前記共振器容量と前記伝送線路との間に結合される第2の共振器インダクタンス
を含む、請求項57に記載の超伝導回路。 - 第1の磁束バイアスを前記第1のDC SQUIDに印可するように動作可能な第1のインターフェースと、第2の磁束バイアスを前記第2のDC SQUIDに印可するように動作可能な第2のインターフェースとをさらに含む、請求項58に記載の超伝導回路。
- 前記少なくとも1つの伝送線路容量の値は、前記超伝導共振器と前記伝送線路との間の結合強度の変動を少なくとも部分的に補償するように選択される、請求項57〜59のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 前記少なくとも1つの伝送線路容量は、
前記超伝導共振器の上流の第1の容量;及び
前記超伝導共振器の下流の第2の容量
を含む、請求項57〜59のいずれか一項に記載の超伝導回路。 - 前記第1の容量及び前記第2の容量の少なくとも1つの値は、前記超伝導共振器と前記伝送線路との間の結合強度の変動を少なくとも部分的に補償するように選択される、請求項61に記載の超伝導回路。
- 前記超伝導共振器を前記伝送線路に誘導的に通信可能に結合する前記結合インダクタンスは、運動インダクタンスである、請求項57〜59のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 前記超伝導共振器は、前記伝送線路に強結合される、請求項57〜59のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 前記伝送線路は、同軸伝送線路である、請求項57〜59のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 前記伝送線路は、コプラナ導波管である、請求項57〜59のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 量子デバイスからデータを読み出すように動作可能である、請求項57〜59のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- データを量子デバイス内にロードするように動作可能である、請求項57〜59のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 前記伝送線路容量は、前記超伝導共振器に近接する、請求項57〜59のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- シフトレジスタ段;及び
磁束バイアスを前記シフトレジスタ段に印加するように動作可能なインターフェース
をさらに含む、請求項57〜59のいずれか一項に記載の超伝導回路。 - 前記超伝導共振器は、超伝導共振器のアレイ内の複数の超伝導共振器の1つであり、前記複数の超伝導共振器のそれぞれは、前記伝送線路に結合される、請求項57〜59のいずれか一項に記載の超伝導回路。
- 前記伝送線路は、マイクロ波伝送線路であり、及び前記超伝導共振器は、マイクロ波超伝導共振器である、請求項57〜59のいずれか一項に記載の超伝導回路。
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