JP2022528475A - ヘリウム上の電子のためのキュービットハードウェア - Google Patents

Abstract

液体ヘリウムの膜を支持する基板と、膜の表面に対して垂直な方向に鏡像力と、電子サブシステムの境界を静電的に画定するためのサイドゲートと、電子サブシステムの境界の外部に位置する電子トラップを静電的に画定するためのトラップゲートと、電子サブシステムから電子トラップへの進入路を選択的に開閉するためのロードゲートとによって閉じ込められた電子サブシステムとを含むシステムであって、電子トラップへの進入路を開くことは電子が電子トラップに進入することを可能にするためにロードゲートに第１のロードゲート電圧を印加することであり、電子トラップへの進入路を閉じることは、電子が電子トラップに進入するのを防ぐためにロードゲートに第２のロードゲート電圧を印加することであるシステムと、そのシステムを使用する方法とが開示される。【選択図】図５

Description

本明細書は、一般には、量子コンピューティングのためのキュービットハードウェアとキュービット制御および読み出し機構とを作製するシステムおよび方法に関する。より詳細には、本明細書は、液体ヘリウムの表面付近に存在する電子を静電トラップ内に閉じ込めることによってキュービットを生成することと、トラップされた電子の量子状態を電磁波信号によってプローブすることによるそのようなキュービットの量子制御および読み出しとに関する。

量子コンピューティングは、量子ビット（キュービット）、すなわち、常に０か１かの２つの古典的状態のうちの一方のままである古典的ビットとは異なり、パラメータαとβが連続的に変化する、｜０〉と｜１〉の２つの量子状態の重ね合わせ状態α｜０〉＋β｜１〉をとることができる量子システムを使用する技術である。量子コンピュータの動作は、キュービット状態の準備と、２つ以上の別個のキュービットの量子もつれと、解決する特定のタスクに合わせて作成された量子アルゴリズム（コード）に従ったもつれ合ったキュービットのシステムの量子遷移と、もつれ合ったキュービットの最終状態の量子読み出しと、量子システムの本質的に確率的性質を踏まえた誤り訂正機構とを含み得る。量子コンピュータは、古典的コンピュータでは実施不可能であるかまたは指数関数的に大規模な資源を必要とすることになる、いくつかの問題（素数因数分解など）の場合に、古典的コンピュータよりも優れる場合がある。キュービットおよび読み出し方法の様々な実現形態が提案されているにもかかわらず、量子コンピューティングの信頼性のある実装は未解決の技術的課題を示している。実際の量子計算に適合するには、キュービットは、キュービットの量子状態のコヒーレンスに影響を与える可能性のある追加の自由度を持たない必要がある。それと同時に、キュービットの初期状態の準備のためと、その最終状態の読み出しのために、個別のキュービットへの外部結合が可能である必要がある。キュービットは、初期状態の準備と量子アルゴリズムの実行と最終状態の読み出しのために十分に長い時間、その量子コヒーレンスを維持可能である必要がある。読み出し方法の容易さと信頼性とが、依然として現行の量子計算の取り組みの重大なボトルネックとなっている。上記の理由により、現実的なキュービットと読み出し方法の開発が技術的にきわめて重要である。

本開示の態様および実装形態は、以下の詳細な説明と、本開示の様々な態様および実装形態を示す添付図面とからよりよく理解することができるであろう。ただし、これらは本開示を特定の態様または実装形態に限定するものと解釈すべきではなく、説明と理解の目的のためのみに示すに過ぎない。

本開示の態様は、表面状態電子に基づくキュービットの実装形態と、それに関連する読み出しおよび制御システムと、量子計算の方法とを対象とする。場合によっては、液体ヘリウムの表面付近に存在し、ヘリウムへの静電像力によりその表面の近傍に保持される電子を使用して、表面状態電子を実装することができる。電子を有界領域に閉じ込めるためと、さらに、少数の電子を中にトラップするその有界領域の外部の電子トラップを実装するために、静電ゲートを使用することができる。このようにしてトラップされる電子の数は、静電ゲーティングによって制御することができ、実装形態によっては１個であってもよい。このような個別電子をキュービットとして使用することができる。キュービットの量子状態｜０〉と｜１〉とを、例えば、トラップ内の電子の基底状態と励起状態として実現することができる。実装形態によっては、キュービットの量子状態は、液体ヘリウムの表面上を浮遊する電子の垂直リュードベリ運動状態であってもよい。他の実装形態では、キュービットの量子状態は、設計された静電トラップ内部の電子の量子化横方向運動によるものであってもよい。さらに他の実装形態では、トラップ内の電子の面外運動と面内運動とを結合することによって、ハイブリッドダブルキュービットを形成することができる。これらの実装形態では、トラップされた各電子から大きな周波数分離を有する２つのキュービットが形成される。

本開示の態様は、単一電子キュービットと、静電トラップと、関連するマイクロ波制御および高周波（ＲＦ）制御と、古典的デジタルコンピュータを使用する後処理による読み出し電子部品など、量子コンピューティングの実装のためのシステムの様々なコンポーネント（およびそれらのアセンブリ）も対象とする。実装形態によっては、１キュービットまたは複数キュービットを含むシステムのＲＦ読み出しは、キュービットの２つの量子状態間のエネルギー差にチューニングした周波数を有する入力ＲＦ信号を準備し、その入力信号を、キュービットを容量性素子として含むシステムを含むマイクロ波共振器回路に送信し、マイクロ波共振器回路の応答を検出することによって行うことができる。本明細書に記載のコンポーネントは、ユニバーサル量子計算のための単一キュービットおよび２キュービットゲート操作を行うために使用することができる。本明細書に記載のシステムおよびコンポーネントは、複数キュービット（例えば約１００キュービット）に拡張した場合、固有のノイズあり中規模量子（noisy intermediate scale quantum：ＮＩＳＱ）計算のために使用することができる。本明細書に記載のシステムおよびコンポーネントは、完全フォールトトレラント量子コンピューティングプラットフォームの実現のためのノイズ低減、キュービットもつれ、および改良されたキュービットコヒーレンスにおけるさらなる発展のために使用することができる。

一実装形態による、キュービットのための電子溜めの役割を果たすことができ、電子閉じ込めを容易にするために液体ヘリウムと静電ゲートを使用する、例示のシステムを概略的に示す図である。 一実装形態による、電子トラップを実現することができ、電子閉じ込めを容易にするために液体ヘリウムと静電ゲートとを使用する、例示のシステムを概略的に示す図である。 一実装形態による、電子トラップ内の電子の数を調整するための例示の電子ローディング法を概略的に示す図である。 キュービットのマイクロ波および高周波単一電子トランジスタベースの読み出しおよび制御を実装することができるシステムの例示の実装形態とコンポーネントとを示す概略ブロック図である。 トラップされた電子の横方向運動を使用する、キュービットを形成するための電子トラップの例示の実装形態を概略的に示す図である。 単一電子キュービットの例示の一実装形態における、トラップされた電子の横方向運動を使用する電子トラップ内の電子のエネルギー準位の例示のスペクトルを示す図である。 例示の一実装形態における、電子トラップを形成し、ヘリウム膜の表面上を浮遊する電子のサブシステムから電子トラップに投入する方法の例示の実装形態を示す流れ図である。 高周波入力信号を使用して、マイクロ波共振器回路に容量結合されたキュービットの状態を読み出す方法の例示の実装形態を示す流れ図である。 本開示の１つまたは複数の態様により動作する古典的コンピュータシステムを示すブロック図である。

図１に、一実装形態による、キュービットの電子溜めの役割を果たすことができ、電子閉じ込めを容易にするために液体ヘリウムと静電ゲートとを使用する、例示のシステムを概略的に示す。システム１００における液体ヘリウムは、基板１０２によって支持することができる。実装形態によっては、基板１０２は誘電体、例えばシリコンまたはサファイアであってもよい。基板１０２は、液体ヘリウム１０４の膜を支持することができる。液体ヘリウムの膜は、バンク１０６によって基板１０２から漏出しないように横方向に制限可能である。実装形態によっては、バンク１０６は、基板１０２の材料と同じであっても異なっていてもよい誘電材料からなってもよい。例えば、バンクはＳｉＯ_xまたはＳｉＯ₂でできていてもよい。バンクは、熱蒸着またはスパッタリングによって付着させることができる。バンク１０６の厚さ（高さ）は、液膜のレベルを決定するために使用することができる。実装形態によっては、バンクは０．２μｍ～１μｍの厚さを有することができるが、他の実装形態では厚さはこの範囲より下でも上でもよい。実装形態によっては、バンク１０６は、図１に示すように、液体ヘリウムのマイクロチャネルを形成するように配置することができる。マイクロチャネル（またはヘリウム膜１０４の任意のその他の構成）は、ヘリウムの供給源（図１には明示せず）を使用して毛細管現象によりヘリウムで満たすことができる。ヘリウムの供給源はヘリウムの低位バルク貯槽であってもよい。

ヘリウム膜１０４は、ヘリウムの表面の上方を浮遊する電子１０８を支持するための基板の役割を果たすことができる。電子１０８は、電子電荷とヘリウムの誘電分極との相互作用によって生じる長距離像引力によってヘリウムの表面に引きつけられ得る。他方、電子１０８は短距離ではヘリウム原子によってはねつけられる。その結果、電子１０８は、液体ヘリウムの表面から５０Å～１００Å程度の距離で液体ヘリウムの表面付近に閉じ込められ、１ｍｅＶ程度の結合エネルギーを有することができる。像引力結合による電子のスペクトルは、リュードベリ型であり得る。基板１０２の上に下部ゲート（電極）１１０を配置することができる。下部ゲート１１０は、実装形態によってはシステムの全幅および全長にわたって延びていてもよい。他の実装形態では、下部ゲートはシステムの一部のみの下にあってもよい。下部ゲート１１０は、下部ゲート１１０に直流（ＤＣ）電圧信号が印加されると下部ゲート１１０全体が同じ電位を得るように、導電性材料からなり得る。実装形態によっては、電子１０８は、近傍（例えばヘリウム膜の上方）に配置されたフィラメント（例えばタングステンフィラメント）からの熱電子放出によって、最初にヘリウムの表面に堆積させることができる。他の実装形態では、電界放出により、または光子放出により電子を発生させることができる。下部ゲート１１０は、電子の密度を制御するためにも使用することができる。下部ゲート１１０の電位を変動させることによって、ヘリウムの表面上の電子１０８の最適密度を実現することができる。例えば、下部ゲート１１０の電位を低下させることによって、電子１０８の一部を押しのけることができる。逆に、下部ゲート１１０の電位を高くすると、システム１００は電子１０８のより多くを保持することが可能になり得る。電子１０８が高密度な状態では、電子１０８は、図１に概略的に示すように、規則的な空間配置を有するウィグナー固体の状態になることができる。低密度では、電子１０８は電子液体状態を形成することができる。

絶縁バンク１０６の上に作り込むことができる１つまたは複数の上部ゲート（電極）１１２によって電子１０８のさらなる制御を実現することができる。上部ゲート１１２は、横方向の静電閉じ込めによって液体ヘリウム１０４の表面に沿った電子の運動を規制することができる。例えば、１対の上部ゲート１１２に、より低い（例えば負）電圧を印加することによって、電子チャネルを横方向に圧搾することが可能になり得る。逆に、上部ゲート１１２に印加される電圧を高くすることによって、電子チャネルの横方向の広がりを大きくすることができる。電子１０８の（例えばチャネルに沿った）横方向の広がりと運動を制御するために、追加のゲート（図１には明示されていない）を使用してもよい。上部ゲート１１２（および下部ゲート１１０および／またはその他のゲート）は、様々な導電性材料から形成することができる。例えば、一実装形態ではゲートは５ｎｍのＴｉと４５ｎｍのＡｕとから形成されてもよいが、他の実装形態では、ゲートの他の設計も可能である。図１に例示するように、ゲートは、下にある基板（例えばシリコンまたはサファイア）バンク１０６上に熱蒸着またはスパッタリングすることができる。

図１に示すシステム１００は、様々な実装形態で設計し、製造することができる。図１に示すコンポーネントの一部は省いてもよい。実装形態によっては、システム１００は、常に低温を維持するためにクライオスタット（図示せず）内に実装されていてもよい。クライオスタット内のシステム１００は、ヘリウムの沸点である４．２Ｋより低温に維持されてもよい。実装形態によっては、システム１００は⁴Ｈｅ超流動転移温度である２．１７Ｋより低温に維持されてもよい。実装形態によっては、システムは極低温、例えば³Ｈｅ超流動転移温度である０．００２５Ｋより低温に維持されてもよい。実装形態によっては、０．００１Ｋより低温を実現するために無寒剤³Ｈｅ－⁴Ｈｅ希釈冷凍機を使用してもよい。このような温度では、垂直閉じ込めの異なるリュードベリ電子状態間の自然温度遷移をほとんどフリーズアウトすることができる。液体ヘリウム膜１０４の表面張力が、安定させる役割を果たし、システム内に作製可能な様々な追加の読み出し電極および制御電極（下記参照）から電子１０８を固定した距離に維持することができる。ヘリウム膜１０４の表面の安定性は、例えば⁴Ｈｅアイソトープと比較して比較的粘度が高い制御された量の³Ｈｅアイソトープを導入することによってさらに制御することができる。

図２に、一実装形態による、電子トラップを実現することができ、電子閉じ込めを容易にするために液体ヘリウムと静電ゲートとを使用する例示のシステム２００を概略的に示す。システム２００は、図１に示す概念の一部を使用してもよい。システム２００のコンポーネントの一部はシステム１００のコンポーネントに対応する場合がある。具体的には、先頭桁が異なる番号（例えば１ＸＹと２ＸＹ）によって示されるコンポーネントが、２つのシステムで同一または類似している場合がある。システム２００における液体ヘリウムは、基板２０２によって支持されてもよい。基板２０２の上に下部ゲート２１０を付着させることができる。基板２０２および／または下部ゲート２１０の上に液体ヘリウム（明示せず）が配置され、図１と同様の膜を形成することができる。液体ヘリウム膜は、図１のバンク１０６と同様の１組の（例えば誘電体）バンクによって横方向に支持されることができる。実装形態によっては、バンクは液体ヘリウムを別々の貯槽に分割することができる。貯槽は、実装形態によっては、システム２００の横寸法の大部分にわたって延びていてもよい。他の実装形態では、貯槽はシステム２００の一部にのみわたって延びていてもよい。実装形態によっては、貯槽はいくつかの並行なマイクロチャネルに分かれていてもよい。液体ヘリウムは、図１に関して上述したように、静電像力によって垂直方向（ヘリウムの表面に対して垂直な方向）に閉じ込められた電子の電子サブシステムを支持することができる。絶縁バンクの上方に導電性ガード電極２１２を付着させてもよい。実装形態によっては、ガード電極２１２は、下にある絶縁バンクの形状を再現してもよい。実装形態によっては、ガード電極２１２の幾何形状は、絶縁バンクの幾何形状と異なっていてもよい。ガード電極２１２は、上部ゲートによって形成されてもよい。実装形態によっては、ガード電極２１２は等電位であってもよい。他の実装形態では、ガード電極１１２は、その様々な部分に別々に異なる電位（電圧）を印加することができるように、複数の分離された要素からなってもよい。

図２（左図）に概略的に示す特定の一実現形態では、システム２００は２つの比較的大きな領域である左貯槽２１４と右貯槽２１６とを有し、それぞれが２０個～２５個のマイクロチャネル構造体を含む。例えば、マイクロチャネル構造体は、比較的長い長さ（例えば一実施形態では約７００μｍ）を有してもよい。左貯槽２１４と右貯槽２１６とは、上述のような複数の電子マイクロチャネルを画定することができる。貯槽２１４および２１６は、最終的に、電子を電子トラップ内にロードするための電子溜めとして機能することができる。システム２００は、サイドゲート２１８およびサイドゲート２２０などの複数のサイドゲートをさらに含んでもよい。サイドゲート２１８および２２０は、ガード電極２１２および相互から電気的に分離されていてもよい。実装形態によっては、サイドゲートに異なる電位によって別々にバイアスがかけられてもよい。図２の分解図（中央の図）に示すように、サイドゲートは中央マイクロチャネル２２２を画定することができる。中央マイクロチャネルは、貯槽２１４および２１６の寸法と比較して短い長さを有してもよい。実装形態によっては、中央マイクロチャネル２２２の長さは１００μｍ～２００μｍとすることができる。中央マイクロチャネル２１６内の電子の密度は、下部ゲート２２４に印加される電圧による容量結合によって制御することができ、一方、中央マイクロチャネル２２２内で電子が占める電子の有効幅はサイドゲート２１８および２２０に印加される電圧によってさらに制御することができる。得られた電子サブシステムの特性を特性評価するために、有限要素シミュレーションと組み合わせて電気伝導測定（低可聴周波伝導率および圧縮率測定、電流電圧特性、電子密度を求めるための測定など）を行って、電気化学ポテンシャルφ_e、面電子密度ｎ_s、および／またはその他の数量を求めてもよい。実装形態によっては、伝導測定は、中央マイクロチャネル２２２にのみ電子の電流が発生するように、貯槽電極２１０の左部分と右部分の間に電圧バイアスを印加することによって行ってもよい。他の実装形態では、駆動電極の特定の幾何形状に応じて、マイクロチャネルのうちの一部または全部のマイクロチャネルに電流が流れている状態で左貯槽２１４（または右貯槽２１６）のマイクロチャネルに電圧バイアスを印加してもよい。駆動電極は、ガード電極２１２または別個の追加の電極（図２には明示せず）を含んでもよい。

中央マイクロチャネル２２２内のヘリウムの表面の上方を浮遊する電子は、図２（拡大図、右図）に示す電子トラップ２２６のための電子の供給源として機能することができる。（電圧バイアスが印加された）サイドゲート２１８（およびサイドゲート２２０）によって生じる電界が、中央マイクロチャネル２２２内の電子１０８の１つまたは複数の境界を生じさせることができる。境界は、中央マイクロチャネル２２２内のヘリウムの表面の上方に浮遊する電子１０８の横方向運動の限界を線引きすることができる。この境界の外側に１つまたは複数の追加の制御ゲート２２８を配置してもよい。制御ゲート２２８に印加される正電圧が、中央マイクロチャネル２２２からの電子が制御ゲート２２８の近傍まで移動するのをエネルギー的に好都合にすることができる。制御ゲート２２８はサイドゲート２１８の電位（例えば負）と比較して反対の（例えば正）電圧を有し得るため、実装形態によっては、負のサイドゲートポテンシャルの対抗作用を低減するようにサイドゲート２１８に切り込みを入れると有利な場合がある。実装形態によっては、電子トラップ２２６内部に電荷センサを配置してもよい。実装形態によっては、電荷センサは、個別の電子の存在を検出することができる量子電荷センサであってもよい。例えば、電荷センサは高周波単一電子トランジスタセンサ（ＲＦ－ＳＥＴセンサ）２３０であってもよい。

中央マイクロチャネル２２２から電子トラップ２２６に至る追加のサイドマイクロチャネルをロードゲート２３２によって形成することができる。ロードゲート２３２は、液体ヘリウムの表面の上方を浮遊する電子から電子トラップ２２６への進入を選択的に開閉することができる。例えば、ロードゲート２３２に正電位が印加されると、電子が電子トラップ２２６を満たすことができるように、ロードゲートへの電子の静電引力により中央マイクロチャネル２２２から電子に対してサイドマイクロチャネルを開くことができる。その後、ロードゲートに負電圧が印加されると、この負電圧は、中央マイクロチャネル２２２と電子トラップ２２６との間に電位障壁を築くことによってサイドマイクロチャネルを切断し、電子を電子トラップ２２６内部にトラップすることができる。実装形態によっては、制御ゲート２２８と、ＲＦ－ＳＥＴセンサ２３０と、ロードゲート２３２は、ヘリウムの表面の下に配置されてもよい。実施形態によっては、図２に示すように、制御ゲート２２８と、ＲＦ－ＳＥＴセンサ２３０と、ロードゲート２３２は、下部ゲート２２４の面内に配置されてもよく、一方、絶縁挿入物２３４によって下部ゲート２２４および相互から電気的に分離されたままとすることができる。他の実装形態では、制御ゲート２２８と、ＲＦ－ＳＥＴセンサ２３０と、ロードゲート２３２と、下部ゲート２２４と、貯槽電極２１０とのうちの少なくとも一部が異なる面内に配置されてもよい。

中央マイクロチャネル２２２と電子トラップ２２６との間の接続が切断された後は、制御ゲート２２８に印加される電圧Ｖ_gを制御することによって電子トラップ２２６内部にトラップされた電子の数を必要に応じて調整することができる。例えば、ゲート電圧Ｖ_gを低下させると、電子トラップ２２６内の電子の電位エネルギーが増大する（電子電荷は負であるため）。その結果、一部の電子が電子トラップ２２６から押し出される。このプロセスを、電子トラップ２２６内の電子の数が所定の値に達するまで続けることができる。量子コンピューティングに関係する一部の実施形態では、所定の値は１に等しくてもよく、これは単一電子量子キュービットが実現される状況である。図３に、電子トラップ２２６内の電子の数を調整するための例示の電子ローディング法を示す。システム２００と電子トラップ２２６の特定の一実現形態の、印加制御ゲート２２８電圧Ｖ_gに対する電子トラップ２２６内部の電荷Ｑの依存関係３００が（電子電荷の単位で）示されている。図３に示す依存関係３００は、有限要素モデリングを使用して計算されている。依存関係３００は、電子と制御ゲート２２８との相互作用が電子トラップ２２６内部の電子反発のクーロンエネルギーの変化に打ち勝つのに十分である場合の、電圧Ｖ_gの特定の値において起こるｎ個の電子とｎ＋１個の電子を有する状態の間に急激な遷移のある、特徴的なクーロンブロッケード電子階段を示している。電圧Ｖ_gを調整することによって、クーロンブロッケード階段によって示されるように、所定数の電子が（例えば、１個、２個、３個というように）電子トラップ２２６内に残るように、電子トラップ２２６内の電子の数を制御することができる。

実装形態によっては、トラップ２２６内部の電子の数の調整に続いて行われるローディングマイクロチャネルの切断により、単一電子をトラップ領域にロードするプロセスを異なる方式で行うことも可能である。例えば、ローディングプロセスを次のように行ってもよい。まず、電子トラップ２２６とローディングマイクロチャネル内の電子の静電電位を、貯槽２１４および２１６と中央マイクロチャネル２２２内の電子の電気化学ポテンシャルよりも正となるようにチューニングすることができる。このような条件下で、電子はローディングマイクロチャネルに沿って電子トラップ２２６内まで移動することができる。電子トラップ２２６にロードされる電子の数は、上述のように有限要素モデリングから推定することができる。その後、制御ゲート電圧Ｖ_gを負（またはより低い正）の値にスイープすることができる。これにより、図３に示すように、電子トラップ２２６から電子が１つずつ減少するように、電子トラップ２２６内の静電電位が低下することになる。有限要素モデリング計算によると、電子トラップ２２６から１個の電子をアンロードするのに必要な電圧差ΔＶ_gは、電子トラップ２２６の幾何学的サイズおよび形状と、その静電環境とに応じて１ｍＶから数１０ｍＶまで変化し得る。数学モデリングに加えて、以下で詳述するように、ＲＦ－ＳＥＴセンサ２３０により電子アンローディングプロセスを監視することができる。電子トラップ２２６内の電子の数が１個（または他の所定の値）に減少した後は、ローディングゲート２３２の電圧を下げることによって、ローディングマイクロチャネルの静電電位を負の値に設定することができる。実装形態によっては、形成されたキュービットから電子が逃げて中央マイクロチャネル２２２に戻るのを防ぐのに十分な高さの電位障壁を築くために、ローディングマイクロチャネル内部の電位を電子トラップ２２６内部の電位と比較して十分により負にしてもよい。

ＲＦ－ＳＥＴセンサ２３０（または任意のその他の量子電荷センサ）は、絶縁基板（例えば基板２０２）上に微細加工され、液体ヘリウム表面下に沈められた高感度の高周波単一電子トランジスタであってもよい。実装形態によっては、高速量子電荷センサを、その上方（例えば、電子トラップ２２６内部）でトラップされた電子の垂直運動量子状態を測定するためのＲＦ－ＳＥＴとして使用してもよい。本明細書で開示する完全量子コンピューティングシステムでは、ＲＦ－ＳＥＴセンサ２３０はキュービット状態の読み出しを容易にすることができる。ＲＦ－ＳＥＴセンサ２３０の高速動作速度を実現するために、実装形態によっては、従来型ＳＥＴが高周波マイクロ波共振回路の容量性コンポーネントとして内蔵されてもよい。最新のＲＦ－ＳＥＴベースの電荷センサは、最大１×１０⁶μＣ／√Ｈｚの実証済み感度と、１００ＭＨｚを上回る測定速度とを有する。このような高周波数は、キュービットのブロッホ球振動を読み出すのに十分に高速であるとともに、背景電荷からの低周波１／ｆノイズが量子電荷センサの読み出し性能にとって確実に無視できる程度にするのに十分に高い。実装形態によっては、電荷センサはＲＦ－ＳＥＴベースのセンサとは異なっていてもよい。例えば、電荷センサは、オフセット電荷感受性超伝導キュービット、または個別電子電荷を検出可能な同様のデバイスであってもよい。

有限領域（例えば電子トラップ２２６）内部にトラップされた電子は、エネルギーの離散スペクトルを有することができる。キュービットの一実現形態では、電子の基底状態がキュービット状態｜０〉を表すことができ、一方、励起状態の１つ、例えば、第１励起状態がキュービットの状態｜１〉を表すことができる。様々な実装形態において、第１励起状態は電子の様々な量子運動に対応し得る。このようなトラップの場合、キュービットの第１励起状態｜１〉は、トラップされた電子の垂直（すなわちヘリウムの表面に対して垂直な）運動の第１励起リュードベリ状態であり得る。これは、キュービットの例示の一実装形態を表し得る。このような実装形態では、キュービットの第１励起状態｜１〉とその基底状態｜０〉との周波数差は約１２０ＧＨｚ（これはエネルギー差では約０．５ｍｅＶに対応する）であり得る。逆に、横方向寸法がリュードベリ状態のボーア半径より大きい電子トラップでは、横方向運動に対応するエネルギー準位間の間隔が、トラップされた電子の垂直運動に対応するエネルギー準位間の間隔よりも小さくなり得る。そのようなトラップの場合、キュービットの第１励起状態｜１〉は、トラップされた電子の横方向運動（例えば、「箱の中の粒子」量子運動）の第１励起であり得る。これは、キュービットの別の例示の実装形態を表すことができる。例えば制御ゲート２２８の幾何形状と電位とにより制御することができる、電子トラップ２２６内の電子の閉じ込め度に応じて、キュービットの状態間のエネルギー差は実装形態ごとに大きく異なる場合がある。例えば、例示の非限定的一実装形態では、キュービットの第１横方向励起状態｜１〉とその基底状態｜０〉との周波数差は約１０ＧＨｚの場合がある。例えば、振幅αおよびβのラビ振動を生じさせることによって、高周波またはマイクロ波信号を使用して（以下で詳述するように）量子振幅αおよびβを有するキュービットの２つの状態の重ね合わせα｜０〉＋β｜１〉を準備し、制御することができる。

実装形態によっては、トラップされた電子の垂直運動と横方向運動の両方を使用して、単一電子を使用する２キュービットシステムを実装することができる。そのような実装形態では、トラップされた電子は、｜↓０〉、｜↓１〉、｜↑０〉、および｜↑１〉などの少なくとも４つの固有状態を有することができ、｜↓〉はトラップされた電子の垂直リュードベリ運動に関する基底状態であり、｜↑〉は励起状態であり、｜０〉はトラップされた電子の横方向運動に関する基底状態であり、｜１〉は励起状態である。したがって、状態｜↓０〉はエネルギーＥ₀のトラップされた電子の基底状態である。状態｜↓１〉は横方向運動に関する励起状態に対応する第１のエネルギー差Ｅ₁だけより高いエネルギーＥ₀＋Ｅ₁を有し得る。状態｜↑０〉は、垂直運動に関する励起状態に対応する第２のエネルギー差Ｅ₂だけより高いエネルギーＥ₀＋Ｅ₂を有し得る。最後に、状態｜↑１〉は、両方の運動に関する励起状態に対応するエネルギーＥ₀＋Ｅ₁＋Ｅ₂を有し得る。このような２キュービットシステムの状態は、周波数Ｅ₁／ｈの第１の信号と周波数Ｅ₂／ｈの第２の信号などの複数の高周波またはマイクロ波信号を使用して準備し、制御することができる量子振幅Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを有する、４つの状態の重ね合わせＡ｜↓０〉＋Ｂ｜↓１〉＋Ｃ｜↑０〉＋Ｄ｜↑１〉であり得る。

キュービットのこのような実装形態の量子状態は量子計算用途にとって十分な長い量子コヒーレンス時間を有することができることと、液体ヘリウムの表面上の電子のｉｎ ｓｉｔｕ配置が実現可能であることに留意されたい。例えば、キュービットの状態間のエネルギー差が、温度スケールで約０．５Ｋに対応する１０ＧＨｚのように低い実装形態であっても、キュービットの温度デコヒーレンスは、最新の希釈冷凍機の典型的な温度である約１０ｍＫでは無視可能であり得る。

キュービットとしてヘリウム上にトラップされた電子の量子化垂直または横方向運動を使用する場合の主な問題は、単一または複数キュービットゲート操作を可能にすることになる総合的システムにおいて、キュービットダイナミクスの十分に高速な制御とキュービットへの読み出し電子回路の統合とをいかにして実装するかであることに留意されたい。本開示の態様では、ＮＩＳＱまたは完全にフォールトトレラントな量子コンピューティングのために量子化運動を利用することができる完全で統合的なシステムのためのそのような実装形態について説明する。

上述のように、個別のキュービット（電子）を、制御ゲート２２８によって画定された電子トラップ２２６の近くに配置されたＲＦ－ＳＥＴセンサ２３０の上方に配置することができる。他の実装形態では、ＲＦ－ＳＥＴセンサ２３０の代わりに、キュービット読み出しのために同様の量子電荷センサ（例えばオフセット電荷感受性超伝導キュービットまたは同様のデバイス）を使用してもよい。電子は中央マイクロチャネル２２２からロードすることができる。図２（中央の図）に示すように、単一のマイクロチャネルで複数の電子トラップ２２６に対応することができ、各電子トラップ２２６が別個のキュービットとして機能する。実装形態によっては、個別のキュービットを別々に制御することができる。例えば、異なる電子トラップ２２６の制御ゲート２２８に異なる制御ゲート電圧を印加することができる。その結果、異なるトラップにおける電子スペクトルは同じではない場合がある。例えば、隣接するトラップを、例えば１２．０ＧＨｚ、１２．１ＧＨｚ、１２．２ＧＨｚというように、キュービットの２つの状態に分かれるエネルギーに対応する異なる周波数を有するようにチューニングしてもよい。したがって、標的キュービットの応答を特定のキュービットによって共振的にプローブすることができる。すなわち、最初のキュービットを１２．０ＧＨｚの駆動周波数で共振的にプローブすることができ、１２．２ＧＨｚの周波数を有する信号が２番目のキュービットの状態を共振的にプローブし、以下同様にプローブすることができる。これに対応して、単一の可変高周波源により様々なキュービットの量子状態をプローブすることができる。他の実装形態では、制御ゲート２２８は同じ電圧Ｖ_gを受けるが、制御ゲートおよび／またはサイドゲート２１８の幾何形状およびレイアウトがトラップごとに異なっていてもよい。実装形態によっては、制御ゲート２２８の電圧と、異なるトラップの幾何形状／レイアウトの両方が異なっていてもよい。実装形態によっては、トラップのレイアウトと制御ゲート２２８の電圧が同じであってもよいが、対応する電子トラップ２２６の近く（例えば下）に配置されたＲＦ－ＳＥＴセンサ２３０に異なるＤＣ電圧が印加されてもよい。このようなトラップごとに異なるＲＦ－ＳＥＴ電圧を使用して、各キュービットの共振周波数を個別にシュタルクチューニングすることができる。実装形態によっては、様々なキュービットの量子もつれを促進するために、個別のキュービットを互いに共振させるように選択的にチューニングすることができる。このようにして２つ以上のキュービットをもつれ合わせることができる。実装形態によっては、印加制御ゲート電圧および／またはＲＦ－ＳＥＴ電圧が時間とともに変動してもよい。例えば、トラップの量子状態間の量子遷移を生じさせずにトラップ内の電子状態のエネルギーをチューニングするために、このような電圧を断熱的に変動させることができる。実装形態によっては、異なるキュービット間（例えば最も近い隣接キュービットと次に近い隣接キュービットとの間）のもつれ合いが、それぞれの電荷自由度間の相互作用により生じ得る。具体的には、このような相互作用は電気双極子間結合により生じ得る。このような結合のパラメータ（例えば強度および距離）は、上記で開示したように、静電ゲーティングおよび／または量子エネルギー準位のシュタルクシフトによって制御することができる。実装形態によっては、電子トラップ２２６内の電子を（例えば容量結合により）下にある共振器バスに結合することによって、遠隔キュービット間の長距離もつれを実現することができる。実装形態によっては、遠隔キュービットの長距離結合ともつれとを確立するために、複数のキュービットの集団電荷振動（例えばプラズマ振動）を使用してもよい。

図２および図３を参照して開示したコンポーネントは、単一のチップ上に実装可能である。実装形態によっては、様々なコンポーネントを別々のチップ上に実装してもよい。例えば、第１の複数のキュービットを第１のチップ上に実装し、第２の複数のキュービットを第２のチップ上に実装してもよい。実装形態によっては、第１および／または第２の複数のキュービットが線状の空間配置を有してもよい。実装形態によっては、第１および／または第２の複数のキュービットが平面空間配置を有してもよい。

図４は、キュービットのマイクロ波および高周波単一電子トランジスタベースの読み出しおよび制御を実装可能な、例示の一実施形態と、システム４００のコンポーネントとを示す回路ブロック図である。システム４００は、クライオスタットと、クライオスタットに１つまたは複数のＲＦ信号を送るＲＦ回路とを含むことができる。システム４００は、ＲＦ信号およびマイクロ波信号を準備するためのコンポーネント（例えば、１つまたは複数の信号発生器、ミキサ、増幅器、逓倍器など）と、電子キュービットのシステムに（例えば容量）結合されたマイクロ波共振器回路とを含む容器（例えばクライオスタット）に準備された信号を送るための信号ガイドと、準備された信号に対するマイクロ波回路の応答を検出するコンポーネント（例えば、ＲＦ－ＳＥＴセンサ、タンク回路、方向性結合器、アナログ－デジタル変換器など）とを含むことができる。これらの要素は、電子キュービット状態の準備とその後の読み出しとを行うために使用可能な例示のコンポーネントである。実装形態によっては、キュービットの準備は、連続波高周波信号（例えば正弦信号）を発生する信号発生器４０２で開始してもよい。信号発生器４０２は、キュービットの共振周波数にチューニングされた時変信号を発生する可変周波数信号発生器であってもよい。信号発生器４０２は、アナログ合成器、水晶発振源、十分に高速なデジタル信号源などであってもよい。実装形態によっては、信号発生器４０２によって発生される信号は、制御されていない時間遅延と伝播中の送信信号のスプリアス位相シフトとを補正するために、移相器４０４によって位相シフトされてもよい。信号発生器４０２によって発生された信号によって制御された１つおよび／または２つのキュービット状態を生じさせるために、これらの制御信号を適切に整形してもよい。実装形態によっては、制御信号はパルス波形に整形されてもよい。これらのパルス信号は、正確に制御された持続期間、位相および振幅を有することができる。実装形態によっては、これは、単側波帯変調とミキシングとによって実現することができる。例えば、信号はマイクロ波ミキサ４０６のローカル発振器入力に供給することができる。ミキサ４０６は、実装形態によってはＩＱミキサであってもよく、他の実装形態では３ポートミキサが使用されてもよい。ミキサ４０６は、移相器４０４および／または信号発生器４０２に結合されたＬＯ入力を有してもよい。ミキサ４０６は、信号が信号発生器４０２によって発生された信号と混合されるとキュービット共振周波数における周波数を有する信号が得られるように、キュービット共振周波数よりも低い周波数（例えば１０ＭＨｚ～１ＧＨｚ）の信号（例えばパルス）を受信する同相入力と直交入力とをさらに有してもよい。実装形態によっては、ミキサ４０６の同相入力は波形発生器４０８から第１の信号を受信することができ、ミキサ４０６の直交入力は、波形発生器４０８から第２の信号を受信することができる。実装形態によっては、波形発生器４０８は、任意波形発生器（ＡＷＧ）またはフィールドプログラマブルアレイ（ＦＰＧＡ）ボード信号源であってもよい。ミキサ４０６は、ローカル発振器入力を波形発生器（ＡＷＧ）４０８によって生成された信号（例えば位相安定パルス）と混合してもよい。ミキサ出力は、発生器４０８によって制御された、所定の存続期間と位相と振幅の、１つまたは複数の高周波信号（例えばパルス）とすることができる。実装形態によっては、信号発生器４０２によって発生される信号は、制御され、読み出されることが意図されたキュービットの横方向運動エネルギー準位の差に対応する５ＧＨｚ～２０ＧＨｚの信号であってもよい。実装形態によっては、周波数は、ミキサ４０６によって、例えばＡＷＧ４０８からの適切なパルスを使用して、特定の（例えばシュタルクチューニングされた）キュービット（または複数のキュービット）の周波数にさらにチューニングすることができる。信号伝送中のスプリアス損失を補償するために、混合信号をクライオスタット４２０に送り込む前に、混合信号を増幅器４１０によって増幅してもよい。例えば、増幅器４１０によって増幅器入力ＲＦ信号を同じ周波数であるが振幅がより大きい信号に変換してから、増幅されたＲＦ信号をクライオスタット４２０に出力してもよい。実装形態によっては、準備され、増幅されたＲＦ出力信号は、キュービットのシステム（実装形態によっては、システム２００など）を含むクライオスタット４２０に信号ガイド４１２を通して直接送られてもよい。信号ガイド４１２は、フィルタ付きテーパ導波路または、フィルタ付き減衰同軸半剛体ケーブルなどの同軸ケーブルであってもよい。２キュービットシステムを実装するためにトラップされた電子の横方向運動と垂直運動の両方が使用されるような一部の実装形態では、クライオスタット４２０に信号を同時に送り込むために、導波路と同軸ケーブルの両方が使用されてもよい。実装形態によっては、キュービット共振周波数は、ミキサ４０６（および増幅器４１０）によって出力される信号の周波数より有意に高くてもよい。例えば、これは、キュービットがトラップされた電子の垂直運動の横方向リュードベリ状態を使用する場合であり得る。そのような実装形態では、ミキサ４０６（および増幅器４１０）によって出力された信号は、周波数を目標周波数にアップコンバートするために周波数逓倍器４１６によって処理されてもよい（目標周波数はキュービットの固有状態間のエネルギー差に対応する）。実装形態によっては、アップコンバートされた周波数は、ミキサ４０６および／または増幅器４１０によって出力された信号の周波数の少なくとも１０倍になり得る。例えば、図４に一例として示すが限定ではない実施例のように、１２×逓倍器が初期周波数１０ＧＨｚを１２０ＧＨｚ信号にアップコンバートすることができる。周波数逓倍器４１６は、実装形態によっては標準周波数エクステンダモジュールに基づいてもよい。他の実装形態では、周波数逓倍器は、ミキサベースのアップコンバートを使用して動作してもよい。その結果のアップコンバートされた高周波信号（例えばパルス）は、次に、信号ガイド４１８を介してクライオスタット４２０に送信することができる。信号ガイドはテーパ導波路であってもよい。信号ガイド４１８は、アップコンバート時に発生したか、または１０ｍＫに維持可能なクライオスタットの区画よりも高い温度を有するシステムの領域から放出された可能性のあるスプリアス信号をフィルタ除去するために、追加のフィルタを含んでもよい。

実装形態によっては、信号ガイド４１２および４１８のうちの一方のみを使用してもよい。例えば、トラップされた電子の垂直運動がキュービットとして使用されている場合は、信号ガイド４１８のみを使用してもよく、信号ガイド４１２を介して送信される信号はない。実装形態によっては、高周波信号（例えば図のように１２０ＧＨｚ信号）と低周波信号（例えば図のように１０ＧＨｚ信号）の両方が、それぞれ信号ガイド４１８と４１２を介して同時に送信されてもよい。例えば、これは、キュービットのシステムが、トラップされた電子の垂直運動を使用するものとトラップされた電子の横方向運動を使用するものとの異なる種類のキュービットを含み、両方の種類のキュービットを同時に読み出す（または準備する）必要がある場合に行うことができる。

キュービットのシステムを含むことができるクライオスタット４２０に送信される信号（アップコンバートされているか否かを問わない）を、１つまたは複数のキュービットの量子状態をプローブするために使用することができる。１つまたは複数のキュービットの量子状態は、キュービットのシステムによる量子コードの先行する実行の結果を表すことができる。コードの完了時、従来型（古典的）コンピュータでの後続の処理のためにキュービットのシステムの量子状態を読み出す必要がある場合がある。複数のキュービットのシステムの状態は、個別のキュービットの量子状態のもつれ合った組み合わせの場合がある。そのようなもつれ合った組み合わせの特性を判定するために、キュービットのシステムに（上記で開示したように準備された）マイクロ波放射の１つまたは複数のパルスを印加することができ、量子コード実行の終わりにキュービットのシステムの状態を、マイクロ波放射に対するキュービットの応答から突き止めることができる。実装形態によっては、そのような応答はラビ振動、すなわち、キュービットの量子状態｜１〉と｜０〉との重ね合わせを示す量子振幅の時間依存遷移を含み得る。このようなラビ振動は、実装形態によっては、上記で開示したような、電子トラップ２２６のプローブとしてＲＦ－ＳＥＴセンサ４３０（例えばシステム２００のＲＦ－ＳＥＴセンサ２３０）を含むマイクロ波共振回路の減衰および周波数シフトによって測定することができる。実装形態によっては、ＲＦ－ＳＥＴセンサ４３０は、図４の破線矩形ＳＥＴ内のコンポーネントによって概略的に示すように、中央の島を介して接続された２つのトンネル接合を有してもよい。中央の島は、金属または半導体からなってもよい。実装形態によっては、中央の島は、超伝導材料からなってもよい。実装形態によっては、中央の島は量子ドットであってもよい。ＲＦ－ＳＥＴセンサ４３０の中央の島は、ゲートに容量結合することができ、ゲート電圧４３１をその中に印加することができる。例えば、中央の島に単一の伝導電子が存在するように、ＲＦ－ＳＥＴセンサ４３０の状態をチューニングするためにゲート電圧４３１を使用してもよい。図４に示すように、ＲＦ－ＳＥＴセンサ４３０にさらにバイアス電圧４３３を印加してもよい。

ＲＦ－ＳＥＴ４３０によって検出された応答は、十分に高速なアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）４３２を通過させることができ、ＡＤＣ４３２において応答がサンプリングされ、デジタル化されることができる。実装形態によっては、ＡＤＣ４３２は約０．５ＧＳ／ｓ～６．４ＧＳ／ｓ以上の速度を有し得る。制御と測定方式の同期により、キュービットシステムの動作を向上させることができる。例えば、同期はマスタクロック４３４によって促進されてもよい。さらに、ＲＦ－ＳＥＴ４３０からの信号は、２ポートベクトルネットワーク分析器（ＶＮＡ）４４１を使用して共振回路４３６の共振周波数での反射または伝送で監視することができる。一実施形態では、共振回路は、ＲＦ－ＳＥＴセンサ４３０とキャパシタとの間にインダクタが直列に結合され、ＲＦ－ＳＥＴセンサ４３０と接地（または接地電位）との間にキャパシタが並列に結合された、ＬＣタンク回路である。測定回路は、発生器４４０からの読み出し信号を方向づけるための方向性結合器４３８などの追加の要素を含んでもよい。実装形態によっては、この結合器を３ポートアイソレータまたはサーキュレータに置き換えてもよい。信号発生器４４０は、特定の実装形態に応じて、ＲＦ－ＳＥＴを含むタンク回路４３６の問合せのための広い周波数範囲（１０ＭＨｚ～１００ＭＨｚ）内のＲＦ信号を発生することができる。マスタクロック４３４は、キュービット準備と読み出しの同期のために、ＡＤＣ４３２および波形発生器４０８とＲＦ信号源４４０の両方に結合することができる。実装形態によっては、マスタクロック４３４は、信号発生器４０２とミキサ４０６とによって発生されたパルスを、ＡＤＣ４３２によって受信された出力と互いに関係づけてもよい。

トラップされた電子の垂直リュードベリ状態によるキュービットの実現形態を参照すると、実装形態によってはそのようなキュービットのラビ振動の特性時間スケールは約１００ＭＨｚ～１ＧＨｚの範囲内であり得る。当技術分野で知られているコヒーレンス時間を考えると、これは、これらのキュービットによる最大１００回を超える量子ゲート操作を可能にし得る。これにより、本明細書で開示している読み出し機構は、総合的量子コンピューティングシステムの実現可能なコンポーネントとなる。

キュービットが電子トラップ２２６内の電子の量子化横方向運動により実現される実装形態では、そのような運動の基底状態｜０〉と第１励起状態｜１〉との周波数差（キュービットの共振周波数である）を１ＧＨｚ～１０ＧＨｚ程度になるように（トラップ２２６とその制御ゲート２２８との幾何形状により）設計することができる。実装形態によっては、（上記で開示した読み出し機構に加えて）超伝導回路ベースのキュービットの回路量子電気力学測定のために開発された回路と類似したマイクロ波回路とともにＲＦ－ＳＥＴ技術を使用することによって、キュービットのこのような横方向運動状態の読み出しを実現することもできる。このような回路ベースの実装形態の組み込みに関する本明細書で開示されている概念の新規性は、明確なキュービット状態の形成を確実にする特定の貯槽およびトラップの設計の使用と、これらの特徴のマイクロ波制御およびＲＦ－ＳＥＴ読み出し方式との統合にある。

図４を参照した上記の開示ではキュービット読み出し技術について説明したが、同じ技術はキュービット制御にも使用することができる。より詳細には、図４に関連して説明した技術によりパルスマイクロ波信号をキュービットに印加時にキュービットにラビ振動を生じさせることによって、最初は基底状態｜０〉であるキュービットが（キュービットのシステムで実装される量子計算コードにより要求される）所望の重ね合わせ状態α｜０〉＋β｜１〉へと変化することができる。

図５に、トラップされた電子の横方向運動を使用するキュービットを作製するための電子トラップ（例えば電子トラップ２２６）の例示の実装形態５００を概略的に示す。例示の非限定的一実装形態では、電子トラップ５００は非対称な形状を有してもよく、例えばトラップは長さ４μｍ、幅１μｍであってもよい。トラップの非対称性は、電子の横方向運動に対応する励起状態の縮退を解き、したがって、近接エネルギーによる別の励起状態への／からの仮想遷移による状態｜１〉のデコヒーレンスを抑止する機能を果たすことができる。図６に、特定の一実装形態における、キュービットのエネルギー準位間のエネルギー差Ｅ_n－Ｅ_mを、制御ゲート２２８に印加された電圧の関数として例示する。図６に示すエネルギー差は、トラップされた電子の運動の固有状態と固有エネルギーについてシュレディンガーの方程式を数値的に解くことによって計算された。データ６００によって示すように、制御ゲート２２８の電位を変化させることによって、基底状態から第１励起状態への遷移｜０〉→｜１〉のためのキュービット遷移周波数を、約４ＧＨｚ～８ＧＨｚ内の広い範囲にわたってチューニングすることができる。

図６に示すキュービット実装形態は非調和性を示す。すなわち、第１励起状態と基底状態とのエネルギー（または同等に遷移周波数）差Ｅ₁－Ｅ₀は、第２励起状態と第１励起状態との差Ｅ₂－Ｅ₁とは異なる。図６に示す特定の例示の実装形態では、このような非調和性の範囲は０．１ＧＨｚ～０．４ＧＨｚ程度である。実装形態によっては、このような非調和性が有利な場合がある。例えば、読み出しマイクロ波信号の周波数を差Ｅ₁－Ｅ₀付近にチューニングした場合、ラビ振動は状態｜０〉と｜１〉との間の遷移に限定することができる。したがって、同じ読み出しマイクロ波信号が状態間の遷移｜１〉→｜２〉を引き起こす可能性は低くなる。これにより、キュービットデコヒーレンスを生じさせることになるより高い励起状態｜２〉、｜３〉．．．のスプリアス混合を防ぐことができる。実装形態によっては、より高い励起状態へのキュービット励起を確実に不可能にするように、非調和性度を電子トラップの幾何形状によって制御してもよい。

キュービット操作時、上記で開示したように、マイクロチャネルと電子トラップとに電子が投入されると運動基底状態｜０〉へのキュービットの初期化が必然的に起こる。これは、システムの典型的な動作温度（約１０ｍＫ）がキュービット遷移エネルギーであるＥ₁－Ｅ₀よりも有意に低くなり得るために起こり得る。その後のキュービット制御操作（例えばゲート操作）時に、図４に関して上記で開示したようにキュービット遷移周波数にチューニングされたパルスマイクロ波フィールドを使用して、キュービットの状態｜１〉への励起を実現することができる。

図７は、例示の一実装形態における、電子トラップを形成し、ヘリウム膜の表面上を浮遊する電子のサブシステムから電子トラップに電子を投入する方法７００の例示の実装形態を示す流れ図である。実装形態によっては、方法７００は、図１から図６に関連して上記で開示したシステムとコンポーネントを使用して行うことができる。方法７００は、膜の表面付近を浮遊する電子の電子サブシステムを支持することができる液体ヘリウムの膜を準備することから開始することができる（７１０）。例えば、方法７００は、ヘリウムの毛細管現象を使用して液体（例えば超流動体）ヘリウムで満たされたマイクロチャネルを備えた基板を準備することを含み得る。膜の準備は、例えば電子発生源からの熱電子放出によって、電子サブシステムに電子発生源から電子を投入することを含み得る。膜の準備は、例えば、電子サブシステムの電気化学ポテンシャル、密度（例えば電子の気中濃度）、および／または電子サブシステムのその他の数量を求めるための測定を行うことによる、電子サブシステムの特性評価も含み得る。膜の準備は、液体ヘリウムの近傍に様々なゲートを配置することも含み得る。ゲートのうちの一部のゲートは、ヘリウムからと電子サブシステムから電気的に分離されてもよいが、電子サブシステムに容量結合されてもよい。ゲートのうちの一部のゲートは、ヘリウム膜と直接、電気接触してもよい。ゲートのうちの一部のゲートは電圧バイアスされてもよい。ゲートのうちの一部のゲートは、電子サブシステムの境界を形成するために使用されてもよい。ゲートのうちの一部のゲートは、電子トラップ内の電子が電子サブシステムの他の部分および／または他の電子トラップに存在する可能性のある電子から空間的に（例えば横方向に）分離されるように、境界外部の１つまたは複数の電子トラップを画定するために使用されてもよい。

方法７００は続いて、電子サブシステムの境界を形成するためにサイドゲートに第１のサイドゲート電圧を印加することができる（７２０）。実装形態によっては、第１のサイドゲート電圧の大きさを、境界の位置と形状とを制御するために使用することができる。実装形態によっては、サイドゲートは、サイドゲートの各部の間に液体ヘリウムのマイクロチャネルが形成されるように、複数の電気的に接続された部分を有してもよい。実装形態によっては、サイドゲートは、複数の電気的に分離された部分を含んでもよい。したがって、「サイドゲート電圧」という用語は、サイドゲートの異なる部分に印加される複数の電圧を含み得る。方法７００は続いて、電子サブシステムの境界の外部に位置する電子トラップを形成するために、トラップゲートに第１のトラップゲート電圧を印加することができる（７３０）。「トラップゲート」という用語は、図２の制御ゲート２２８を含む。電子トラップは、（負に荷電したトラップされた電子のポテンシャルエネルギーがその位置で最小値を有することができるように）トラップ位置またはその付近で最大値を有する静電ポテンシャルによって画定可能である。実装形態によっては、図５に示すように、トラップゲートはトラップを囲む単一の電極であってもよい。実装形態によっては、図２（右図）に示すように、トラップゲートは複数の電極を含んでもよく、異なる電極（例えば制御ゲート２２８）に複数の異なるトラップゲート電圧が印加される。実装形態によっては、第１のトラップゲート電圧を全く印加しなくてもよく、例えば、電子サブシステムの境界の外部に上昇した静電ポテンシャルの領域が形成されるように、電子トラップがサイドゲートの特定の形状によって画定されてもよい。

方法７００は続いて、電子サブシステムの電子の進入路を開くためにロードゲートに第１のロードゲート電圧を印加することができる（７４０）。例えば、第１のロードゲート電圧は、（例えば、２つの領域の間にマイクロチャネルを形成することによって）電子サブシステムの境界から電子トラップへの電子の進入を可能にするように、静電ポテンシャルの空間プロファイルを変更することができる。実装形態によっては、第１のロードゲート電圧は全く印加されなくてもよく、例えば、上昇した静電ポテンシャルの領域が電子サブシステムの境界からトラップ領域に向かってずっと存在するように、サイドゲートの特定の形状によりマイクロチャネルが形成されてもよい。方法７００は続いて、電子トラップへの電子サブシステムの電子の進入を閉鎖するために、ロードゲートに第２のロードゲート電圧を印加することができる（７５０）。例えば、第２のロードゲート電圧は、第１のロードゲートよりもより正でなくてもよい。したがって、電子が電子トラップ内にトラップされるように、電子トラップと電子サブシステムの境界との間に前に形成されていたマイクロチャネルを切断することができる。

方法７００は続いて、電子トラップ電圧内の電子の数を調整するために、トラップゲートに第２のトラップゲート電圧を印加することができる（７６０）。より詳細には、電子トラップに至るマクロチャネルが切断された後、トラップには必要な数の電子とは異なる数の電子が含まれている可能性がある。実装形態によっては第２のトラップゲート電圧は第１のトラップゲート電圧よりも低くすることができる。これにより、トラップ内の電子のポテンシャルエネルギーを上昇させ、電子の一部をポテンシャル障壁を超えて電子サブシステムに押し戻すことができる。具体的には、トラップゲートの電圧を下げることによって、システムが（図３に例示するような）クーロンブロッケード階段を「降りて行く」ようにすることができる。第２のトラップゲート電圧は、トラップ内の電子の所定の数を、例えば１個、２個、３個というように維持するように選択されてもよい。実装形態によっては、単一電子キュービットを形成するために、第２のトラップゲート電圧は、トラップ内に電子が（例えば、クーロンブロッケード階段の段Ｑ＝１に対応する）１個だけ残るように選定されてもよい。実装形態によっては、必要な第２のトラップ電圧は、事前のキャリブレーション測定からわかる場合がある。実装形態によっては、第２のトラップゲート電圧の印加は全く行われなくてもよく、残っている電子の必要数（例えばＱ＝１）は、ブロック７３０での第１のトラップゲート電圧および／またはブロック７２０での第１のサイドゲート電圧の適正な選定によって実現されてもよい。実装形態によっては、第２のトラップゲート電圧の印加とトラップされた電子の数の調整が行われた後に、第３のトラップゲート電圧を印加してもよい（図７には示さず）。第３のトラップゲート電圧は、残っている電子がトラップから逃げるのを防ぐためにトラップ内の残っている電子のポテンシャル井戸の深さが増すように、第２のトラップゲート電圧より高く（例えばより正に）することができる。

方法７００の操作の一部は、方法７００が行われるたびに使用されなくてもよい。例えば、ブロック７１０でのヘリウム膜の準備は、電子のトラップのためにゲート電圧を印加する複数の状況について１回だけ行われてもよい。実装形態によっては、ヘリウム膜が安定した状態を維持している（または貯槽から補充される）限り、追加の準備は必要がない場合がある。

図８は、高周波入力信号を使用して、マイクロ波共振器回路に容量結合されたキュービットの状態を読み出す方法８００の例示の実装形態を示す流れ図である。方法８００は、キュービットの固有状態間の第１のエネルギー差に対応する周波数を有する第１の入力信号を準備することから開始することができる（８１０）。キュービットの固有状態はトラップされた電子の垂直（液体ヘリウムの表面に対して垂直）または横方向（液体ヘリウムの表面に平行）運動に対応し得る。実装形態によっては、第１の入力信号は、図４に示す高周波回路コンポーネント４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１６、４１８の一部または全部によって準備可能である。方法８００は続いて、準備された第１の入力信号をキュービットを容量性コンポーネントとして含むマイクロ波共振器回路に送ることによって、キュービットに第１の入力信号を印加することができる（８２０）。キュービットの固有状態間のエネルギー差に応じて、第１の入力信号の送信は、同軸高周波ケーブルまたはテーパ導波路を介して第１の入力信号をキュービットの保持器に（例えばクライオスタット内に）送信することを利用してもよい。キュービットは、マイクロ波共振器回路の一部であってもよい。例えば、キュービットのトラップされた電子は、図２、図４および図５に示すように、トラップされた電子の近傍に配置されたＲＦ－ＳＥＴに容量結合されてもよい。ＲＦ－ＳＥＴは、例示の一実装形態では、図４に示すようにマイクロ波共振器回路に含まれてもよい。

方法８００は続いて、第１の入力信号に対するマイクロ波共振器回路の第１の応答を検出することができる（８３０）。実装形態によっては、これはマイクロ波共振器回路のインピーダンス応答、例えば回路の周波数シフトと減衰を測定することによって行うことができる。方法８００は続けて、マイクロ波共振器回路の測定応答からキュービットの状態を判定することができる（８４０）。マイクロ波共振器回路の第１の応答をアナログ－デジタル変換器によって処理することができ、古典的コンピュータ上で後続の処理を使用してキュービットのラビ振動を求めることができる。その結果、入力マイクロ波信号が印加される前（例えば量子コード実行の完了時）の励起されたキュービットの状態を突き止めることができる。

実装形態によっては、方法８００は同時に複数の信号を使用してもよい。例えば、第１の入力信号はトラップされた電子の垂直運動または横方向運動の一方に対応する周波数を有してもよく、第２の入力信号はトラップされた電子の運動の他方（例えば横または垂直）に対応する周波数を有してもよい。実装形態によっては、第２の入力信号は増幅器４１０および／またはミキサ４０６によって出力されたＲＦ信号をアップコンバートする逓倍器４１６によって得ることができる。したがって、ブロック８１０で２つの入力信号を準備することができる。同様に、ブロック８２０で、キュービットに第１の入力信号と第２の入力信号とが同時に（または異なる時点、例えば連続した時点に）印加されてもよい。実装形態によっては、第１の入力信号は同軸ケーブルを介してマイクロ波共振器回路に送られてもよく、第２の入力信号は導波路（例えばテーパ導波路）を介してマイクロ波共振器回路に送られてもよい。ブロック８３０で、第２の入力信号に対するマイクロ波共振器の第２の応答が、第１の入力信号に対するマイクロ波共振器の第１の応答とともに検出されてもよい。実装形態によっては、ブロック８４０で第１の応答と第２の応答の両方に基づいてキュービットの状態の判定を行ってもよい。方法８００を行った結果として、固有状態｜↓０〉、｜↓１〉、｜↑０〉および｜↑１〉の重ね合わせであるキュービットの状態など、キュービットの４ビット状態を判定することができる。

量子コードの実行の前にキュービットの状態を準備するために、方法８００に類似した方法を使用することもできる。例えば、（例えば方法７００または他の何らかの同等の方法に従って）電子トラップに投入後、対応するキュービットは基底状態｜０〉であり得る。（キュービットのシステムで実装される特定の量子計算コードによって要求される場合がある）重ね合わせ状態α｜０〉＋β｜１〉を準備するには、キュービットを要求される重ね合わせ状態に駆動するような振幅および持続期間のラビ振動を生じさせるためにキュービットに適切に準備されたマイクロ波信号を印加してもよい。

複数のキュービットを使用して方法８００に類似した方法を行ってもよい。例えば、複数のキュービットと複数の制御ゲートとを含むデバイスを、マイクロ波共振器回路に容量結合することができる。様々なキュービット（および／または）制御ゲートが、線状の空間配置（例えば同一の線に沿って配置される）または平面空間配置（例えば同一平面内に配置されてもよい）を有してもよい。実装形態によっては、複数のキュービットのそれぞれが複数の制御ゲートのうちのそれぞれの制御ゲートに関連付けられてもよい。実装形態によっては、標的キュービットを読み出すという指示が、処理デバイス（例えばコンピューティングシステム）から受け取られてもよい。標的キュービットの固有状態間のエネルギー差をシュタルクチューニングするために、標的キュービットに関連付けられたそれぞれの制御ゲートに制御電圧を印加してもよい。シュタルクチューニングは、標的キュービットの固有状態間のエネルギー差Δτが、他のキュービットの固有状態エネルギーの対応する差Δから離れるように（例えば、数量｜Δτ－Δ｜がキュービットの逆（放射または非放射）寿命を超えるように）行うことができる。この方法は続いて、エネルギー差Δτに対応する周波数を有する入力信号を準備し、入力信号をマイクロ波共振器回路に送ることによってデバイスに入力信号を印加し、入力信号に対するマイクロ波共振器回路の応答を検出し、マイクロ波共振器回路の応答から標的キュービットの状態を判定することができる。

方法７００および８００と、方法７００および／または８００に類似した他の方法は、ハードウェア（例えば、回路、専用ロジック、プログラマブルロジック、マイクロコードなど）、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせを含み得る、処理ロジックによって行うことができる。方法７００および８００および／またはその個々の機能、ルーチン、サブルーチン、または操作は、古典的コンピュータの１つまたは複数の処理ユニットによって行われてもよい。特定の実装形態では、方法７００および８００は、単一の処理スレッドによって行われてもよい。あるいは、方法７００および８００は、各スレッドがその方法の１つまたは複数の個別の機能、ルーチン、サブルーチンまたは操作を実行する２つ以上の処理スレッドによって行われてもよい。例示の実施例では、方法７００および８００を実装する処理スレッドは同期させてもよい。あるいは、方法７００および８００を実装する処理スレッドは、互いに対して非同期で実行されてもよい。方法７００および８００の様々なステップが、図７および図８に示す順序とは異なる順序で行われてもよい。一部のステップが他のステップと並行して行われてもよい。

図９に、本開示の１つまたは複数の態様により動作する古典的コンピュータシステム９００のブロック図を示す。例えば、古典的コンピューティングシステム９００は、実装形態によっては、キュービットのうちの１つまたは複数のキュービットの初期状態の準備と制御とに使用される古典的コンピューティングコードを実装することができる。コンピューティングシステム９００は、実装形態によっては、図４に示す動作のうちの一部を実装してもよい。コンピューティングシステム９００は、マイクロ波共振器回路から受信した応答データの処理を行うことができ、読み出すキュービットの最終状態を判定することができる。特定の実装形態では、コンピュータシステム９００は、（例えばローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、イントラネット、エクストラネットまたはインターネットなどのネットワークを介して）他のコンピュータシステムに接続することができる。コンピュータシステム９００は、クライアント－サーバ環境におけるサーバまたはクライアントコンピュータの能力内で、または、ピアツーピアもしくは分散ネットワーク環境におけるピアコンピュータとして動作することができる。コンピュータシステム９００は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットＰＣ、セットトップボックス（ＳＴＢ）、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、携帯電話、ウェブ機器、サーバ、ネットワークルータ、スイッチまたはブリッジ、あるいは、デバイスによって行われるべきアクションを指定する命令（順次命令またはその他の命令）のセットを実行可能な任意のデバイスによって提供可能である。また、「コンピュータ」という用語は、本明細書に記載の方法のうちのいずれか１つまたは複数の方法を行うために、個別にまたは共同で命令のセット（または複数のセット）を実行するコンピュータの任意の集合を含むものとする。

さらなる態様では、コンピュータシステム９００は、バス９０８を介して互いに通信可能な、処理デバイス９０２と、揮発性メモリ９０４（例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ））と、不揮発性メモリ９０６（例えば読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）または電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ））と、データストレージデバイス９１６とを含むことができる。

処理デバイス９０２は、汎用プロセッサ（例えば、複合命令セットコンピューティング（ＣＩＳＣ）マイクロプロセッサ、縮小命令セットコンピューティング（ＲＩＳＣ）マイクロプロセッサ、超長命令語（ＶＬＩＷ）マイクロプロセッサ、その他の種類の命令セットを実装するマイクロプロセッサ、または複数の種類の組み合わせの命令セットを実装するマイクロプロセッサなど）、または専用プロセッサ（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、またはネットワークプロセッサなど）などの、１つまたは複数のプロセッサによって提供可能である。

コンピュータシステム９００は、ネットワークインターフェースデバイス９２２をさらに含んでもよい。コンピュータシステム９００は、ビデオディスプレイユニット９１０（例えばＬＣＤ）と、英数字入力デバイス９１２（例えばキーボード）と、カーソルコントロールデバイス９１４（例えばマウス）と、信号発生デバイス９２０も含んでもよい。

データストレージデバイス９１６は、好ましくない従業員関係および退職の可能性を検出するモデルを実装するため、特に、方法７００および８００を実装するための命令を含む、本明細書に記載の方法または機能のうちのいずれか１つまたは複数をコード化する命令９２６を記憶し得る、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体９２４を含み得る。

命令９２６は、コンピュータシステム５００による命令の実行時に、揮発性メモリ５０４内および／または処理デバイス９０２内に完全にまたは部分的に存在してもよく、したがって、揮発性メモリ９０４と処理デバイス９０２とはマシン可読記憶媒体も構成し得る。

例示の実施例ではコンピュータ可読記憶媒体９２４が単一の媒体として示されているが、「コンピュータ可読記憶媒体」という用語は、実行可能命令の１つまたは複数のセットを記憶する、単一の媒体または複数の媒体（例えば、集中型または分散型データベースおよび／または付随するキャッシュおよびサーバ）を含むものとする。「コンピュータ可読記憶媒体」という用語は、本明細書に記載の方法のうちのいずれか１つまたは複数の方法をコンピュータに行わせる、コンピュータによる実行のための命令のセットを記憶またはコード化することができる、任意の有形の媒体も含むものとする。「コンピュータ可読記憶媒体」という用語は、ソリッドステートメモリ、光学式媒体、および磁気媒体を含むがこれらには限定されないものとする。

本明細書に記載の方法、コンポーネントおよび機構は、個別ハードウェアコンポーネントによって実装されてもよく、または、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＤＳＰまたは類似のデバイスなど、他のハードウェアコンポーネントの機能に統合されてもよい。さらに、方法、コンポーネントおよび機構は、ファームウェアモジュール、またはハードウェアデバイス内の機能回路によって実装されてもよい。また、方法、コンポーネントおよび機構は、ハードウェアデバイスとコンピュータプログラムコンポーネントとの任意の組み合わせで、またはコンピュータプログラムで実装されてもよい。

以上の説明は、例示を意図したものであり、制限的ではないことを理解されたい。上記の説明を読み、理解すれば、当業者には多くの他の実装例が明らかであろう。本開示は、特定の実施例について説明しているが、本開示のシステムおよび方法は本明細書に記載の実施例には限定されず、添付の特許請求の範囲内で修正を加えて実施することもできることがわかるであろう。したがって、本明細書および図面は、制限的な意味ではなく例示的な意味で捉えられるべきである。したがって、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲を、添付の特許請求の範囲が権利を有する均等物の全範囲とともに参照して決定されるべきである。

上記の方法、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはコードの実装形態は、メモリに結合された処理要素によって実行可能な、マシンアクセス可能媒体、マシン可読媒体、コンピュータアクセス可能媒体、またはコンピュータ可読媒体上に記憶された命令またはコードにより実装可能である。「メモリ」は、コンピュータまたは電子システムなどのマシンによって読み取り可能な形態の情報を提供する（すなわち記憶および／または伝達する）あらゆる機構を含む。例えば、「メモリ」は、スタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）またはダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）などのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＲＯＭ、磁気または光学式記憶媒体、フラッシュメモリデバイス、電気的ストレージデバイス、光学式ストレージデバイス、音響ストレージデバイス、およびマシン（例えばコンピュータ）により読み取り可能な形態の電子的命令または情報を記憶または伝達するのに適した、任意の種類の有形なマシン可読媒体を含む。

本明細書全体を通じて、「一実装形態」または「実装形態」と言う場合、その実装形態に関連して記載されている特定の機構、構造体、または特徴が、本開示の少なくとも１つの実装形態に含まれることを意味している。したがって、本明細書全体の様々な個所で「一実装形態では」または「実装形態では」という語句が記載されている場合、必ずしもそれらがすべて同じ実装形態を指しているとは限らない。また、特定の機構、構造体または特徴は、１つまたは複数の実装形態において任意の適切な方式で組み合わせることができる。

以上、本明細書では、特定の例示の実装形態を参照しながら詳細な説明を示した。しかし、これらの実装形態には、添付の特許請求の範囲に記載されている本開示のより広い思想および範囲から逸脱することなく様々な修正および変更を加えることができることは明らかであろう。したがって、本明細書および図面は、制限的な意味ではなく例示的な意味で捉えるべきである。また、上記の実装形態、実施形態および／またはその他の例示の表現の使用は、必ずしも同じ実装形態または同じ実装例を指しているとは限らず、異なる、明確に区別される実装形態と、場合によっては同一の可能性がある実装形態とを指す場合がある。

本明細書では「例」または「例示の」という用語は、例、事例または例示となるという意味で使用されている。本明細書に「例」または「例示の」として記載されているいずれの態様または設計も、必ずしも、他の態様または設計より好ましいかまたは有利であるものと解釈すべきではない。逆に、「例」または「例示の」という用語の使用は、概念を具体的な形で示すことを意図している。本出願で使用されている「または」という用語は、排他的「または」ではなく包含的「または」を意味することが意図されている。すなわち、別に明記されているか文脈から明らかでない限り、「ＸがＡまたはＢを含む」は、自然な包含的置換のいずれも意味することが意図されている。すなわち、ＸがＡを含む、ＸがＢを含む、またはＸがＡとＢの両方を含む場合、「ＸがＡまたはＢを含む」はこれらの事例のいずれにおいても満たされる。さらに、本出願および添付の特許請求の範囲で使用されている冠詞「ａ」および「ａｎ」は、別に明記されているか文脈から単数形を示していることが明らかでない限り、「１つまたは複数」を意味するものと一般的に解釈すべきである。また、全体を通して「実施形態」もしくは「一実施形態」または「実装形態」もしくは「一実装形態」という用語の使用は、同じ実施形態または実装形態として記載されていない限り、同じ実施形態または実装形態を意味することは意図されていない。また、本明細書で使用されている「第１の」、「第２の」、「第３の」、「第４の」などの用語は、異なる要素を区別するための標識であることが意図されており、必ずしもその数字表記による序数的な意味を有するとは限らない場合がある。

Claims (26)

1. システムであって、
   液体ヘリウムの膜が、閉じ込められている電子を含む電子サブシステムを前記液体ヘリウムの膜に対する静電引力の鏡像力によって前記液体ヘリウムの膜の表面に対して垂直な方向に支持する、前記液体ヘリウムの膜を支持する基板と、
   前記電子サブシステムの境界を静電的に画定するためのサイドゲート電圧を受けるサイドゲートと、
   前記電子サブシステムの前記境界の外部に位置する電子トラップを静電的に画定するためのトラップ電圧を受けるトラップゲートと、
   前記電子サブシステムから前記電子トラップへの進入路を選択的に開閉するためのロードゲートとを含み、前記電子サブシステムから前記電子トラップへの進入路を開くことは、前記電子サブシステムの前記電子が前記電子トラップに進入することができるようにするために前記ロードゲートに第１のロードゲート電圧を印加することであり、前記電子サブシステムの前記電子トラップへの進入路を閉じることは、前記電子サブシステムの前記電子が前記電子トラップに進入するのを防ぐために前記ロードゲートに第２のロードゲート電圧を印加することである、システム。
2. 前記電子トラップに容量結合された電荷センサをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記電荷センサは単一電子トランジスタを含む、請求項２に記載のシステム。
4. クライオスタットへの高周波（ＲＦ）信号出力を発生するＲＦ回路をさらに含み、前記クライオスタットは前記基板と、前記サイドゲートと、前記トラップゲートと、前記ロードゲートとを含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記ＲＦ回路は増幅器入力ＲＦ信号を、前記クライオスタットへの前記ＲＦ信号出力に変換する増幅器を含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記ＲＦ回路は、
   第１の信号と第２の信号とを出力する波形発生器と、
   ローカル発振器入力と、前記第１の信号と、前記第２の信号とを受信するミキサとをさらに含み、前記ミキサは前記増幅器入力ＲＦ信号を出力する、請求項５に記載のシステム。
7. 前記ミキサの同相入力が前記第１の信号を受信し、前記ミキサの直交入力が前記第２の信号を受信する、請求項６に記載のシステム。
8. 前記ＲＦ信号出力を前記クライオスタットに送る同軸ケーブルをさらに含む、請求項５に記載のシステム。
9. 前記ＲＦ回路は、
   増幅器入力ＲＦ信号を増幅ＲＦ信号に変換する増幅器と、
   クライオスタットへの前記ＲＦ信号出力を得るために前記増幅ＲＦ信号を逓倍する逓倍器とを含む、請求項４に記載のシステム。
10. 前記ＲＦ信号出力を前記クライオスタットに送る導波路をさらに含む、請求項９に記載のシステム。
11. 前記導波路はテーパ導波路である、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記電子トラップに容量結合された電荷センサと、前記電荷センサに結合された方向性結合器とをさらに含む、請求項４に記載のシステム。
13. 前記方向性結合器と前記電荷センサとの間に結合された共振回路と、
    前記方向性結合器に結合されたアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
    前記ＡＤＣに結合されたクロックとをさらに含む、請求項１２に記載のシステム。
14. キュービットを実装する方法であって、
    液体ヘリウムの膜が電子サブシステムを支持し、前記電子サブシステムが前記液体ヘリウムの膜の表面付近を浮遊する電子を含み、前記電子が前記液体ヘリウムの膜に対する静電引力の鏡像力によって前記液体ヘリウムの膜の前記表面に対して垂直な方向に閉じ込められる、前記液体ヘリウムの膜を準備することと、
    前記電子サブシステムの境界を静電的に形成するためにサイドゲートに第１のサイドゲート電圧を印加することと、
    前記電子サブシステムの前記境界の外部に位置する電子トラップを静電的に形成するためにトラップゲートに第１のトラップゲート電圧を印加することと、
    前記電子トラップへの投入のために、ロードゲートに第１のロードゲート電圧を印加することによって、前記電子トラップへの前記電子サブシステムの電子の進入路を開くことと、
    前記ロードゲートに第２のロードゲート電圧を印加することによって、前記電子トラップへの前記電子サブシステムの前記電子の進入路を閉じることとを含む、方法。
15. 前記電子のうちの所定数の電子が前記電子トラップ内に残るように、前記電子トラップに第２のトラップゲート電圧を印加することによって、前記電子トラップ内の前記電子の数を調整することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記電子の前記所定数は１である、請求項１５に記載の方法。
17. キュービットの状態を判定する方法であって、
    前記キュービットの固有状態間の第１のエネルギー差に対応する周波数を有する第１の入力信号を準備することと、
    前記第１の入力信号を前記キュービットに容量結合されたマイクロ波共振器回路に送ることによって前記キュービットに前記第１の入力信号を印加することと、
    前記第１の入力信号に対する前記マイクロ波共振器回路の第１の応答を検出することと、
    前記第１の入力信号に対する前記マイクロ波共振器回路の前記第１の応答に基づいて前記キュービットの状態を判定することとを含む、方法。
18. 前記第１の入力信号を準備することは、
    第１の周波数を有する第１の信号を発生することと、
    前記第１の信号を波形発生器によって発生された１つまたは複数の位相安定パルスと混合することによって第２の信号を発生することと、
    前記第２の信号を目標周波数にアップコンバートすることによって前記第１の入力信号を発生することとを含み、前記目標周波数は前記キュービットの前記固有状態間の前記第１のエネルギー差に対応する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１の入力信号を前記マイクロ波共振器回路に送ることは、前記第１の入力信号をテーパ導波路を介して送信することを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１の入力信号を前記マイクロ波共振器回路に送ることは、前記第１の入力信号を同軸ケーブルを介して送信することを含む、請求項１７に記載の方法。
21. 前記マイクロ波共振器回路は前記キュービットに容量結合された電荷センサを含む、請求項１７に記載の方法。
22. 前記マイクロ波共振器回路の前記第１の応答から前記キュービットの前記状態を判定することは、前記マイクロ波共振器の前記第１の応答をアナログ－デジタル変換器に通すことを含む、請求項１７に記載の方法。
23. 前記キュービットの固有状態間の第２のエネルギー差に対応する第２の周波数を有する第２の入力信号を準備することと、
    前記マイクロ波共振器回路が前記キュービットに容量結合されている、前記キュービットに前記第２の入力信号を印加することと、
    前記第２の入力信号に対する前記マイクロ波共振器回路の第２の応答を検出することとを含み、
    前記キュービットの前記状態を判定することは、前記第２の入力信号に対する前記マイクロ波共振器回路の前記第２の応答にさらに基づく、請求項１７に記載の方法。
24. 前記第２の入力信号は、前記第１の入力信号の周波数の少なくとも１０倍の周波数を有し、前記第１の入力信号は同軸ケーブルを介して前記マイクロ波共振器回路に送られ、前記第２の入力信号はテーパ導波路を介して前記マイクロ波共振器回路に送られる、請求項２３に記載の方法。
25. 複数のキュービットのうちのキュービットの状態を判定する方法であって、
    前記複数のキュービットのそれぞれが複数の制御ゲートのうちのそれぞれの制御ゲートに関連付けられている、前記複数のキュービットと前記複数の制御ゲートとを含むデバイスを、マイクロ波共振器回路に容量結合することと、
    標的キュービットを読み出す指示を受け取ることと、
    前記標的キュービットの固有状態間のエネルギー差を他のキュービットの固有状態間のエネルギー差から離れるようにシュタルクチューニングするために、前記標的キュービットに関連付けられた前記それぞれの制御ゲートに制御電圧を印加することと、
    前記標的キュービットの前記固有状態間の前記エネルギー差に対応する周波数を有する入力信号を準備することと、
    前記入力信号を前記マイクロ波共振器回路に送ることによって前記デバイスに前記入力信号を印加することと、
    入力信号に対する前記マイクロ波共振器回路の応答を検出することと、
    前記マイクロ波共振器回路の前記応答から前記標的キュービットの前記状態を判定することとを含む、方法。
26. 前記複数のキュービットは線状の空間配置または平面空間配置を有する、請求項２５に記載の方法。

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