JP2023503625A - ジョセフソン・リング変調器に基づく超電導量子ビットおよび共振器システム - Google Patents

Abstract

超電導量子力学デバイスは、第１、第２、および第３の共振固有モードを有するブリッジ回路において接続される第１、第２、第３、および第４のジョセフソン接合を含む。デバイスはまた、第１および第２のキャパシタ・パッドを含む。第１および第２のキャパシタ・パッドとブリッジ回路とは、第１の共振固有モードに対応する共振周波数を有する超電導量子ビットを形成する。デバイスは、第１および第２の共振器セクションをさらに含む。第１および第２の共振器セクションとブリッジ回路とは、第２の共振固有モードに対応する共振周波数を有する共振器を形成する。デバイスはまた、ブリッジ回路の近傍に配置される磁束ソースを含む。磁束ソースは、動作中、ブリッジ回路を通る磁束を与え、第３の共振固有モードが励起されると、第１、第２、および第３の共振固有モード間にカップリングが生じるように構成される。

Description

本発明の今回特許請求される実施形態は、超電導量子力学デバイスに関し、より詳細には、自デバイス内で超電導共振器にカップリングされる超電導量子ビットを有する超電導量子力学デバイスに関する。

回路量子電磁力学（ｃＱＥＤ）は、量子プロセッサのアーキテクチャにおける、基本的かつ一般的なビルディング・ブロックである。ｃＱＥＤは、超電導共振器にカップリングされる超電導量子ビットから成る。量子ビットと共振器の共振周波数は、通常異なっている。例えば、量子ビット周波数は、約５ＧＨｚであり得るが、共振器周波数は約７ＧＨｚである可能性がある。周波数が異なる場合、このカップリングは、分散的なカップリングと称される。使用可能な量子ビットには様々なタイプがあり、例えば、トランズモン、フラクソニウム、容量シャント型（capacitively-shunted）量子ビットなどが挙げられる。また、使用可能な超電導共振器の様々なジオメトリがあり、例えば、コプレーナ導波路共振器、ストリップライン共振器、マイクロストリップ共振器、三次元共振器（three-dimensional cavity）などが挙げられる。共振器に使用することができる超電導性材料の例としては、Ｎｂ、Ａｌ、ＴｉＮ、ＮｂＴｉＮ、ＮｂＮなどが挙げられるが、それらに限定されない。量子ビットを共振器にカップリングさせるために、様々なメカニズムが採用することができ、（例えば、キャパシタを通じた）静電カップリング、（例えば、相互インダクタンスを通じた）誘導カップリングが挙げられる。

ｃＱＥＤは、次のような多くの用途で用いられる：１）共振器が量子ビットと外部回路との間でバンドパス・フィルタとして機能し、ラインを通って量子ビット周波数で入ってくるノイズをフィルタリング・アウトする；２）共振器ポートを通じて量子ビット・パルスを投入することによって、量子ビットを駆動して制御することが可能である；および３）量子ビット状態に影響される共振器周波数の変化を検出することによって、量子ビット状態を測定することが可能である。

ｃＱＥＤアーキテクチャを用いて量子ビットの状態を測定するために、読み出し共振器周波数に近い読み出し信号が、共振器に送信される。量子ビットと共振器との間の（静電または誘導）カップリングにより、共振器周波数は、量子ビット状態に依存する。換言すると、量子ビットが基底状態にある時の読み出し共振器の共振周波数は、量子ビットが励起状態にある時とは異なる。読み出し共振器の共振周波数が量子ビット状態に依存することに起因して、読み出し信号の周波数は、これら２つの共振周波数の中間に設定される。反射された読み出し信号の位相シフトは量子ビット状態に依存する読み出し共振器の共振周波数に依存して異なるため、この位相シフトをモニタリングまたは測定することにより、量子ビット状態を判断することが可能である。

したがって、ｃＱＥＤでは、読み出し共振器は、外部環境による電磁気的なノイズから量子ビットを保護することが可能である。ｃＱＥＤはまた、共振器を用いる量子ビット状態の比較的正確で感度の高い測定を考慮している。ｃＱＥＤは、量子ビット状態の量子非破壊測定の実施を考慮している。一般に、ｃＱＥＤの理論は十分発展しており、ｃＱＥＤのアーキテクチャは実装とスケール・アップが比較的容易である。

しかしながら、ｃＱＥＤでは、量子ビットと読み出し共振器との間のカップリングは常にＯＮである。結果として、読み出し共振器に存在するあらゆる（熱的、または非熱的な）ノイズ光子により、量子ビット状態の位相ずれが生じ、その位相コヒーレンスが失われる可能性がある。この問題を回避するための１つの方法は、共振器の帯域幅を大きくし、量子ビットを測定するためにかかる時間を短くすることである。しかしながら、共振器の帯域幅を大きくし、量子ビットを測定するためにかかる時間を短くすることはまた、量子ビットの寿命を短くすることにもつながり得る（パーセル効果による）。パーセル効果に打ち克って、さらに比較的高速な読み出しを提供するために、通常はパーセル・フィルタが読み出し共振器に付加される。パーセル・フィルタは、読み出し周波数では、ほぼ一様な透過性を有するが、量子ビット周波数では大きな減衰を持つマイクロ波フィルタである。結果として、この解決策は、量子プロセッサ・アーキテクチャにハードウェアの複雑性を加えるものである。

比較的遅い読み出し共振器（狭い帯域幅を有する）にカップリングされる量子ビットでは、長寿命の読み出し光子（これは読み出しパルスの一部である）によって生ずる量子ビットの位相ずれは、読み出し共振器に印加される特定のパルス・シーケンスを用いて光子の読み出し共振器を迅速に空にすることによって低減することが可能である（例えば、ＣＬＥＡＲ法）。この解決策はまた、量子プロセッサ・アーキテクチャにソフトウェア、パルス、およびタイミングの複雑性を加えるものでもある。

従来型のデバイスでは、読み出し共振器内の光子のポピュレーションを低減するため、ひいては量子ビットの位相ずれを低減するために、量子ビットと読み出し共振器との間のカップリング、およびノイズ光子の存在は、量子ビットのセットアップに厳しい要件を設定する。例えば、読み出し共振器は基礎温度段階（base-temperature stage）まで十分に熱化され、印加されるパルスのパワーは加熱の影響を防ぐために可能な限り低く、読み出し共振器にカップリングされる環境における熱散逸もまた最小化されるべきであり、増幅ノイズなどの電磁気的なノイズまたは読み出し周波数における黒体放射などの熱ノイズを含むノイズに対する保護をするために、極低温アイソレータとサーキュレータが出力ラインに加えられる。これらの極低温サーキュレータおよびアイソレータは、嵩高く、熱化しにくく、高価で重量があり、磁性材料および強磁場の使用は、超電導回路に負の影響を及ぼす可能性がある。

本発明の一態様は、超電導量子力学デバイスを提供することである。超電導量子力学デバイスは、第１のジョセフソン接合、第１のジョセフソン接合に電気的に接続される第２のジョセフソン接合、第２のジョセフソン接合に電気的に接続される第３のジョセフソン接合、および第３のジョセフソン接合と第１のジョセフソン接合とに電気的に接続される第４のジョセフソン接合であって、第１、第２、第３、および第４のジョセフソン接合が、第１の共振固有モード、第２の共振固有モード、および第３の共振固有モードを有するブリッジ回路において接続される、第１のジョセフソン接合、第２のジョセフソン接合、第３のジョセフソン接合、および第４のジョセフソン接合を含む。超電導量子力学デバイスはまた、第１および第４のジョセフソン接合間のノードにおいて、第１および第４のジョセフソン接合に電気的に接続される第１のキャパシタ・パッド、ならびに第２および第３のジョセフソン接合間のノードにおいて、第２および第３のジョセフソン接合に電気的に接続される第２のキャパシタ・パッドであって、第１のキャパシタ・パッド、第２のキャパシタ・パッド、およびブリッジ回路が超電導量子ビットを形成し、超電導量子ビットがブリッジ回路の第１の共振固有モードに対応する共振周波数を有する、第１のキャパシタ・パッドおよび第２のキャパシタ・パッドを含む。超電導量子力学デバイスは、第１および第２のジョセフソン接合間のノードにおいて、第１および第２のジョセフソン接合に電気的に接続される第１の共振器セクション、ならびに第３および第４のジョセフソン接合間のノードにおいて、第３および第４のジョセフソン接合に電気的に接続される第２の共振器セクションであって、第１の共振器セクション、第２の共振器セクション、およびブリッジ回路が、第２の共振固有モードに対応する共振周波数を有する共振器を形成する、第１の共振器セクションおよび第２の共振器セクションをさらに含む。超電導量子力学デバイスはまた、ブリッジ回路の近傍に配置される磁束ソースを含む。磁束ソースは、動作中、ブリッジ回路を通る磁束を与え、第３の共振固有モードが励起されると、第１、第２、および第３の共振固有モード間にカップリングが生じるように構成される。

一実施形態では、磁束ソースは、ブリッジ回路に磁束バイアスをかける電磁気的な磁束ソースを与えるための導電性の素子である。一実施形態では、磁束ソースは、ブリッジ回路に磁束バイアスをかける電磁気的な磁束ソースを与えるための磁性材料である。一実施形態では、磁束ソースは制御可能である。一実施形態では、磁束ソースは磁束量子の半分（φ_０／２）を与える。

一実施形態では、超電導量子ビットは、トランズモン様の量子ビットである。一実施形態では、第１の共振器セクションおよび第２の共振器セクションの両方は、実質的に等しい長さの共振器ラインである。一実施形態では、第１の共振器セクションおよび第２の共振器セクションは、電気的に接地されたパッド同士の間に配置される共振器ラインを含む。

一実施形態では、超電導量子力学デバイスは、動作中、第２の共振固有モードの励起を与えるべく共振器に電磁気結合するように構成される共振器フィードラインをさらに含む。一実施形態では、共振器フィードラインと共振器との間にキャパシタを形成するように、共振器フィードラインは共振器から分離されている。

一実施形態では、超電導量子力学デバイスは、動作中、第１の共振固有モードの励起を与えるべく超電導量子ビットに電磁気結合するように構成される量子ビット・フィードラインをさらに含む。一実施形態では、量子ビット・フィードラインと超電導量子ビットとの間にキャパシタを形成するように、量子ビット・フィードラインは超電導量子ビットから分離されている。一実施形態では、超電導量子ビットおよび共振器は、同一基板上に形成され、ブリッジ回路は、超電導量子ビットと共振器との実質的に共通する中心に設置される。

一実施形態では、第１の共振器セクション、第２の共振器セクション、第１のジョセフソン接合、第２のジョセフソン接合、第３のジョセフソン接合、および第４のジョセフソン接合は、Ａｌ、Ｎｂ、ＮｂＴｉＮ、ＮｂＮおよびＴｉＮから成る群から選択される超電導性材料を含む。

一実施形態では、第３の共振固有モードは、超電導量子ビットまたは共振器に印加される制御駆動を用いて励起される。一実施形態では、制御駆動の周波数は、超電導量子ビットの量子ビット周波数と共振器の共振周波数との差に設定される。一実施形態では、制御駆動の振幅は、超電導量子ビットと共振器との間で全周波数変換を与えるように設定される。一実施形態では、制御駆動の振幅は５０：５０のビームスプリットを与えるように設定され、量子ビット情報の半分が、共振器情報の半分とスワップされる。一実施形態では、制御駆動の周波数は、超電導量子ビットの量子ビット周波数と共振器の共振周波数との和に設定され、制御駆動の振幅は、量子ビット・モードと共振器モードの２モード・スクイージングを与えるように設定される。一実施形態では、制御駆動の周波数は、マイクロ波周波数範囲内にある。

本量子力学デバイスは、量子ビット初期化、単一量子ビットのゲート、またはマルチ量子ビットのゲートあるいはその組み合わせの間、共振器中の光子または光子ノイズに起因する位相ずれから量子ビットを保護することを含む多くの利点を有する。これは、量子モード（Ｘモード）と共振器モード（Ｙモード）とが直交しているためである。Ｘモードは、Ｙモードに直交しており、これらの２つのモードは制御駆動信号がＯＮの時に、第３のモード（Ｚモード）を介してのみカップリングまたは相互作用することが可能である。結果として、この保護特徴により、デバイスは、出力ラインで必要とされる極低温アイソレータとサーキュレータの数を減らすことができる。加えて、量子ビットは、回路の通常の第３モード（Ｚモード）では光子ノイズにさらされやすいことがある。しかしながら、Ｚモードは読み出し共振器周波数（Ｙモード）とは異なる周波数であるため、入力および出力ラインは、サーキュレータまたはアイソレータあるいはその両方を用いることなく、この固有な周波数付近の周波数帯内でフィルタリングすることが可能である。

本発明の概念、同様に、動作の方法ならびに構造および部品の組み合わせの関連要素の機能ならびに製造の経済は、添付の図面を参照して以下の説明および添付の特許請求の範囲を検討すればより明らかとなろう。これらのすべては本明細書の一部を形成し、様々な図面において、同じ符号は対応する部分を指す。しかしながら、図面は単に図示と説明を目的としたものであり、本発明の限度の定義として意図されていないことを明確に理解されたい。

本発明の実施形態による、超電導量子力学デバイスの概略図である。 本発明の別の実施形態による、超電導量子力学デバイスの概略図である。 Ａは本発明の実施形態による、第１の共振固有モードを有するブリッジ回路を示す図である。Ｂは本発明の実施形態による、第２の共振固有モードを有するブリッジ回路を示す図である。Ｃは本発明の実施形態による、第３の共振固有モードを有するブリッジ回路を示す図である。

図１は、本発明の実施形態による、超電導量子力学デバイス１００の概略図である。超電導量子力学デバイス１００は、第１のジョセフソン接合１０２、第２のジョセフソン接合１０４、第３のジョセフソン接合１０６、および第４のジョセフソン接合１０８が、ブリッジ回路１１０において接続されるべく、第１のジョセフソン接合１０２、第１のジョセフソン接合１０２に電気的に接続する第２のジョセフソン接合１０４、第２のジョセフソン接合１０４に電気的に接続する第３のジョセフソン接合１０６、および第３のジョセフソン接合１０６と第１のジョセフソン接合１０２に電気的に接続する第４のジョセフソン接合１０８を含む。ブリッジ回路１１０は、第１の共振固有モード、第２の共振固有モード、および第３の共振固有モードを有する。ブリッジ回路１１０は、従来型のホイートストン・ブリッジに類似している。しかしながら、従来型のホイートストン・ブリッジにおける抵抗器の代わりに、ブリッジ回路１１０は類似の構成で配置される少なくとも４つのジョセフソン接合を有する。

図３Ａ～図３Ｃは、本発明の実施形態による、第１の共振固有モード、第２の共振固有モード、および第３の共振固有モードを有するブリッジ回路図１１０を示す。例えば、図３Ａ～図３Ｃは、第１、第２、および第３の固有モードに対応するブリッジ・ノードのｒｆ電圧極性を示している。図３Ａは、第１の固有モード（Ｘモード）で動作するブリッジ回路１１０を示す。図３Ｂは、第２の固有モード（Ｙモード）で動作するブリッジ回路１１０を示す。図３Ｃは、第３の固有モード（Ｚモード）で動作するブリッジ回路１１０を示す。いくつかの実施形態では、第１、第２、および第３の固有モードは、互いに相互に直交である。いくつかの実施形態において、ジョセフソン・リング変調器（ＪＲＭ）であり得るブリッジ回路１１０は、ジョセフソン・トンネル接合（例えば、４つのジョセフソン接合）に基づいた非線形で分散的な回路であり、量子限界において電磁気的な信号（例えば、マイクロ波信号）の３波混合を行なうことが可能である。しかしながら、本発明の広い概念は、４つのジョセフソン接合のみに限定されない。いくつかの実施形態によると、ブリッジ回路１１０の脚部のうち１つまたは複数に、追加的なジョセフソン接合を含めることができる。

超電導量子力学デバイス１００はまた、第１のジョセフソン接合１０２および第４のジョセフソン接合１０８に、それらの間のノード１において電気的に接続される第１のキャパシタ・パッド１１２を含む。超電導量子力学デバイス１００はまた、第２のジョセフソン接合１０４および第３のジョセフソン接合１０６に、それらの間のノード２において電気的に接続される第２のキャパシタ・パッド１１４を含む。第１のキャパシタ・パッド１１２、第２のキャパシタ・パッド１１４、およびブリッジ回路１１０は、超電導量子ビット１１６を形成する。超電導量子ビット１１６は、ブリッジ回路１１０の第１の共振固有モード（Ｘモード）に対応する共振周波数（ｆ_Ｑ）を有する。

超電導量子力学デバイス１００は、第１のジョセフソン接合１０２および第２のジョセフソン接合１０４に、それらの間のノード３において電気的に接続される第１の共振器セクション１２０をさらに含む。超電導量子力学デバイス１００はまた、第３のジョセフソン接合１０６および第４のジョセフソン接合１０８に、それらの間のノード４において電気的に接続される第２の共振器セクション１２２を含む。第１の共振器セクション１２０、第２の共振器セクション１２２、およびブリッジ回路１１０は、ブリッジ回路１１０の第２の共振固有モード（Ｙモード）に対応する共振周波数（ｆ_Ｒ）を有する共振器１２６を形成する。

超電導量子力学デバイス１００はまた、ブリッジ回路１１０の近傍に配置される磁束ソース１２８を含む。磁束ソース１２８は、動作中、ブリッジ回路１１０を通る磁束を与え、第３の共振固有モード（Ｚモード）が外部駆動によって励起されると、第１、第２、および第３の共振固有モード（Ｘモード、Ｙモード、およびＺモード）間にカップリングが生じるように構成される。

一実施形態では、磁束ソース１２８は、ブリッジ回路（ループ）１１０に磁束バイアスをかける電磁気的な磁束ソースを与えるための導電性の素子である。別の実施形態では、磁束ソース１２８は、ブリッジ回路（ループ）１１０に磁束バイアスをかける電磁気的な磁束ソースを与えるための磁性材料である。磁束ソース１２８は、これらの特定の例のみに限定されない。１つもしくは複数の導電性の素子、または磁性材料から形成される１つもしくは複数の磁石、あるいはそれらの組み合わせであってもよい。一実施形態では、磁束ソース１２８は、制御することが可能であり、ゼロ磁束を提供するように設定されてもよい。ブリッジ回路（ループ）１１０を貫く磁束がない場合、３つの固有モード間の結合定数は消滅する。別の実施形態では、磁束ソース１２８は、磁束量子の半分（φ_０／２）を与えるように設定することが可能であり、この場合３つの固有モードの間にカップリングが生成される。

一実施形態では、超電導量子ビット１１６は、トランズモン様の量子ビットである。例えば、超電導量子ビット１１６は、トランズモン様の量子ビットである可能性がある。

一実施形態では、第１の共振器セクション１２０は、共振器ライン１２０Ａを含み、第２の共振器セクション１２２は、共振器ライン１２２Ａを含む。一実施形態では、ライン１２０Ａと１２２Ａは、長さが実質的に等しい。一実施形態では、第１の共振器セクション１２０と第２の共振器セクション１２２は、同一平面上にある。一実施形態では、第１の共振器セクション１２０と第２の共振器セクション１２２は、マイクロストリップまたはストリップラインを含む。一実施形態では、第１の共振器セクション１２０および第２の共振器セクション１２２は、電気的に接地されたパッド１３０同士の間に配置される共振器ライン１２０Ａと１２２Ａを含む。

一実施形態では、第１の共振器セクション１２０、第２の共振器セクション１２２、第１のジョセフソン接合１０２、第２のジョセフソン接合１０４、第３のジョセフソン接合１０６、および第４のジョセフソン接合１０８は、Ａｌ、Ｎｂ、ＮｂＴｉＮ、ＮｂＮおよびＴｉＮなどの超電導性材料を含むが、これらに限定されない。

一実施形態では、超電導量子ビット１１６および共振器１２６は、同一基板上に形成され、ブリッジ回路１１０は、超電導量子ビット１１６と共振器１２６との実質的に共通する中心に設置されて組み込まれる。

一実施形態では、超電導量子力学デバイス１００は、共振器１２６に電磁気結合されて、入力と出力の読み出し信号を、第２の共振固有モード（Ｙモード）を励起する読み出し周波数で搬送するように構成される、共振器フィードライン１３２をさらに含む。一実施形態では、共振器フィードライン１３２と共振器１２６とは、それらの間にキャパシタ１３４を形成するよう分離されている。一実施形態では、キャパシタ１３４は、共振器フィードライン１３２と共振器１２６の第１の共振器セクション１２０との間に空間を設けることにより定められる。キャパシタ１３４は、共振器フィードライン１３２を共振器１２６に電磁気結合することが可能である。第２の共振固有モード（Ｙモード）の励起は、共振器フィードライン１３２を通って共振器１２６へ駆動信号を送ることにより実現することができる。例えば、一実施形態では、駆動信号は、マイクロ波の範囲の周波数を有することが可能である。しかしながら、駆動信号はまた、より高い周波数範囲またはより低い周波数範囲の周波数を有することも可能である。

一実施形態では、超電導量子力学デバイス１００は、動作中に第１の共振固有モード（Ｘモード）の励起を与えるべく、超電導量子ビット１１６に電磁気結合するように構成される量子ビット・フィードライン１３６をさらに含む。一実施形態では、量子ビット・フィードライン１３６と超電導量子ビット１１６とは、それらの間にキャパシタ１３８を形成するよう分離されている。一実施形態では、キャパシタ１３８は、量子ビット・フィードライン１３６と量子ビット１１６の第１のキャパシタ・パッド１１４との間に空間を設けることにより定められる。キャパシタ１３８は、量子ビット・フィードライン１３６を量子ビット１１６に電磁気結合することが可能である。第１の共振固有モード（Ｘモード）の励起は、量子ビット・フィードライン１３６を通って量子ビット１１６へ駆動信号を送ることにより実現することができる。第１、第２、または第３の固有モードの励起は、共振器フィードライン１３２または量子ビット・フィードライン１３６のいずれかを通じて駆動信号（例えば、マイクロ波周波数範囲の駆動信号）を印加することによって実現可能である。

一実施形態では、第３の共振固有モード（Ｚモード）は、量子ビット・フィードライン１３６を通じて超電導量子ビット１１６に、または共振器フィードライン１３２を通じて共振器１２６に印加される制御駆動信号を用いて励起される。一実施形態では、制御駆動の周波数は、超電導量子ビット１１６の量子ビット周波数（ｆ_Ｑ）と共振器１２６の共振器周波数（ｆ_Ｒ）との差に設定される。一実施形態では、制御駆動の振幅は、超電導量子ビット１１６と共振器１２６との間で全周波数変換を与えるように設定される。別の実施形態では、制御駆動の振幅は５０：５０のビームスプリットを与えるように設定され、量子ビット情報の半分が、共振器情報の半分とスワップされる。

図２は、本発明の別の実施形態による、超電導量子力学デバイス２００の概略電気図である。超電導量子力学デバイス２００は、多くの態様において、上のパラグラフで説明した超電導量子力学デバイス１００に類似している。したがって、超電導量子力学デバイス１００と２００とで共通の構成要素を示すために、図２では同じ符号が用いられ、以下のパラグラフでは異なる特徴だけに着目する。

一実施形態では、超電導量子力学デバイス２００は、ブリッジ回路１１０のノード３と第１の共振器セクション１２０に接続されたパッド２０２、およびブリッジ回路１１０のノード４と第２の共振器セクション１２２に接続されたパッド２０４をさらに含む。例えば、パッド２０２は、ノード３に続く第１の共振器セクション１２０のライン１２０Ａの端部に設けられて接続されることが可能であり、パッド２０４は、ノード４に続く第２の共振器セクション１２２のライン１２２Ａの端部に接続されることが可能である。別の実施形態では、パッド２０２と２０４を用いる代わりに、ライン１２０Ａの端部の幅およびライン１２２Ａの端部の幅を広くしてもよい。パッド２０２および２０４を設けること、またはライン１２０Ａおよび１２２Ａの端部を大きくすることは、ジョセフソン接合１０２、１０４、１０６、および１０８全体のシャント・キャパシタを大きくすることによりノード３および４における電荷分散を低減することができる。

超電導量子力学デバイス１００および２００は、量子ビット初期化、単一量子ビットのゲート、またはマルチ量子ビットのゲートあるいはその組み合わせの間、共振器１２６中の光子または光子ノイズに起因する位相ずれから量子ビット１１６を保護することを含む複数の利点を有する。これは、量子ビット・モード（Ｘモード）と共振器モード（Ｙモード）とが直交しているためである。Ｘモードは、Ｙモードに直交しており、これらの２つのモードは制御駆動信号がＯＮの時に、Ｚモードを介してのみカップリングまたは相互作用することが可能である。結果として、この保護特徴により、出力ライン上にある極低温アイソレータとサーキュレータの数を減らすことができる。加えて、量子ビット１１６は、回路の通常のモード（Ｚモード）では光子ノイズにさらされやすいことがある。しかしながら、Ｚモードは読み出し共振器周波数（Ｙモード）とは異なる周波数であるため、入力および出力ラインは、サーキュレータまたはアイソレータあるいはその両方を用いることなく、この固有な周波数付近の周波数帯内でフィルタリングすることが可能である。

上のパラグラフで述べたように、一実施形態では、制御駆動（ｆ_Ｄ）の周波数は、超電導量子ビット１１６の量子ビット周波数（ｆ_Ｑ）と共振器１２６の共振器周波数（ｆ_Ｒ）との間の差、ｆ_Ｄ＝｜ｆ_Ｑ－ｆ_Ｒ｜に設定することが可能であり、駆動振幅／パワーは、量子ビットと共振器との間で全周波数変換を与えるように設定することが可能である。この動作モードを用いて、量子ビット状態を測定することが可能である。（励起または励起なし）制御駆動を印加することにより、量子ビット状態は、共振器読み出し光子とスワップされる。出力読み出し光子を測定することによって、量子ビット状態を推測することが可能である。共振器１２０を、読み出し共振器の代わりに記憶共振器（つまり、メモリ）として使用可能であることは留意に値する。

上のパラグラフで述べたように、別の実施形態では、制御駆動の振幅は５０：５０のビームスプリットを与えるように設定することが可能であり、量子ビット情報の半分が、共振器情報の半分とスワップされる。この場合、制御駆動周波数は、やはりｆ_Ｄ＝｜ｆ_Ｑ－ｆ_Ｒ｜である。しかしながら、振幅またはパワーは５０：５０ビームスプリッタ・ポイントを与えるように設定され、量子ビット情報の半分は共振器情報の半分とスワップされるが、残り半分は量子ビットと共振器に保持される。出力読み出し光子を測定することによって、量子ビット状態を飛行中の光子、すなわち出力読み出し光子ともつれさせることができる。したがって、出力読み出し光子を測定することによって、量子ビット状態を推測することが可能である。

別の実施形態では、代わりに制御駆動周波数ｆ_Ｄは、量子ビット周波数ｆ_Ｑと共振器周波数ｆ_Ｒとの和に等しくなるように設定することが可能である。ｆ_Ｄ＝｜ｆ_Ｑ＋ｆ_Ｒ｜と駆動振幅またはパワーは、量子ビット・モードと共振器モードの２モード・スクイージングを与えるように設定することが可能である。共振器と量子ビットとの長手方向のカップリングにより、この動作モードは、量子ビット状態の超高速高信頼読み出しを提供することが可能である（横方向のカップリングを使用するｃＱＥＤより高速である）。この動作モードは、読み出しチェーン中の量子限界のあるジョセフソン増幅器の必要性、ならびに必要な中間段階のオーバヘッドと損失をなくすことができる。

さらに別の実施形態では、４波混合動作が続く完全な変換モード（単一モード・スクイージングまたは増幅）を実装することが可能である。このモードでは、量子ビットと共振器情報がスワップされ、次いで共振器に共振器周波数ｆ_Ｒ（または、２倍の共振器周波数２ｆ_Ｒで）で比較的強いポンプ（比較的高いパワー）を印加することにより、反射された読み出し信号を、スクイージングすること、または増幅することが可能であり、これにより測定信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を高めることができる。そのような単一モードのスクイージングまたは増幅は、特定の誤り訂正ボソン符号を実装する際、有用な場合がある。別の実施形態では、４波動作（単一モード・スクイージング）では、読み出し共振器内部の真空ノイズが、量子ビットと共振器との間で情報スワップを行なう前にスクイーズされる。

例示を目的として本発明の様々な実施形態の説明を提示してきたが、網羅的であること、または開示された実施形態に限定することは意図されていない。説明された実施形態の範囲および思想から逸脱することなく、多くの修正形態および変形形態が当業者にとって明らかとなろう。本明細書において使用される用語法は、実施形態の原理、実践的な用途もしくは市場で見られる技術に対する技術的な改善を最良に説明するため、または当業者の他の者が本明細書において開示される実施形態を理解できるように選ばれたものである。

Claims (20)

1. 超電導量子力学デバイスであって、
   第１のジョセフソン接合、前記第１のジョセフソン接合に電気的に接続される第２のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソン接合に電気的に接続される第３のジョセフソン接合、および前記第３のジョセフソン接合と前記第１のジョセフソン接合とに電気的に接続される第４のジョセフソン接合であって、前記第１、第２、第３、および第４のジョセフソン接合が、第１の共振固有モード、第２の共振固有モード、および第３の共振固有モードを有するブリッジ回路において接続される、前記第１のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソン接合、前記第３のジョセフソン接合、および前記第４のジョセフソン接合と、
   前記第１および第４のジョセフソン接合間のノードにおいて、前記第１および第４のジョセフソン接合に電気的に接続される第１のキャパシタ・パッド、ならびに前記第２および第３のジョセフソン接合間のノードにおいて、前記第２および第３のジョセフソン接合に電気的に接続される第２のキャパシタ・パッドであって、前記第１のキャパシタ・パッド、前記第２のキャパシタ・パッド、および前記ブリッジ回路が超電導量子ビットを形成し、前記超電導量子ビットが前記ブリッジ回路の前記第１の共振固有モードに対応する共振周波数を有する、前記第１のキャパシタ・パッドおよび前記第２のキャパシタ・パッドと、
   前記第１および第２のジョセフソン接合間のノードにおいて、前記第１および第２のジョセフソン接合に電気的に接続される第１の共振器セクション、ならびに前記第３および第４のジョセフソン接合間のノードにおいて、前記第３および第４のジョセフソン接合に電気的に接続される第２の共振器セクションであって、前記第１の共振器セクション、前記第２の共振器セクション、および前記ブリッジ回路が、前記第２の共振固有モードに対応する共振周波数を有する共振器を形成する、前記第１の共振器セクションおよび前記第２の共振器セクションと、
   前記ブリッジ回路の近傍に配置される磁束ソースと
   を備え、
   前記磁束ソースは、動作中、前記ブリッジ回路を通る磁束を与え、前記第３の共振固有モードが励起されると、前記第１、第２、および第３の共振固有モード間にカップリングが生じるように構成される、超電導量子力学デバイス。
2. 前記磁束ソースが、前記ブリッジ回路に磁束バイアスをかける電磁気的な磁束ソースを与えるための導電性の素子である、請求項１に記載の超電導量子力学デバイス。
3. 前記磁束ソースが、前記ブリッジ回路に磁束バイアスをかける電磁気的な磁束ソースを与えるための磁性材料である、請求項１または２に記載の超電導量子力学デバイス。
4. 前記磁束ソースが、制御可能である、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の超電導量子力学デバイス。
5. 前記磁束ソースが、磁束量子の半分（φ_０／２）を与える、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の超電導量子力学デバイス。
6. 前記超電導量子ビットが、トランズモン様の量子ビットである、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の超電導量子力学デバイス。
7. 前記第１の共振器セクションおよび前記第２の共振器セクションの両方が、実質的に等しい長さの共振器ラインである、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の超電導量子力学デバイス。
8. 前記第１の共振器セクションおよび前記第２の共振器セクションが、電気的に接地されたパッド同士の間に配置される共振器ラインを含む、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の超電導量子力学デバイス。
9. 動作中、前記第２の共振固有モードの励起を与えるべく前記共振器に電磁気結合するように構成される共振器フィードラインをさらに含む、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の超電導量子力学デバイス。
10. 前記共振器フィードラインと前記共振器との間にキャパシタを形成するように、前記共振器フィードラインは前記共振器から分離されている、請求項９に記載の超電導量子力学デバイス。
11. 動作中、前記第１の共振固有モードの励起を与えるべく前記超電導量子ビットに電磁気結合するように構成される量子ビット・フィードラインをさらに含む、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の超電導量子力学デバイス。
12. 前記量子ビット・フィードラインと前記超電導量子ビットとの間にキャパシタを形成するように、前記量子ビット・フィードラインは前記超電導量子ビットから分離されている、請求項１１に記載の超電導量子力学デバイス。
13. 前記超電導量子ビットおよび前記共振器が、同一基板上に形成され、前記ブリッジ回路が、前記超電導量子ビットと前記共振器との実質的に共通する中心に設置される、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の超電導量子力学デバイス。
14. 前記第１の共振器セクション、前記第２の共振器セクション、前記第１のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソン接合、前記第３のジョセフソン接合、および前記第４のジョセフソン接合が、Ａｌ、Ｎｂ、ＮｂＴｉＮ、ＮｂＮおよびＴｉＮから成る群から選択される超電導性材料を含む、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の超電導量子力学デバイス。
15. 前記第３の共振固有モードが、前記超電導量子ビットまたは前記共振器に印加される制御駆動を用いて励起される、請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の超電導量子力学デバイス。
16. 前記制御駆動の周波数が、前記超電導量子ビットの量子ビット周波数と前記共振器の共振周波数との差に設定される、請求項１５に記載の超電導量子力学デバイス。
17. 前記制御駆動の振幅が、前記超電導量子ビットと前記共振器との間で全周波数変換を与えるように設定される、請求項１５または１６に記載の超電導量子力学デバイス。
18. 前記制御駆動の振幅が、５０：５０のビームスプリットを与えるように設定され、量子ビット情報の半分が、共振器情報の半分とスワップされる、請求項１５ないし１７のいずれか一項に記載の超電導量子力学デバイス。
19. 前記制御駆動の周波数が、前記超電導量子ビットの量子ビット周波数と前記共振器の共振器周波数との和に設定され、前記制御駆動の振幅が、量子ビット・モードと共振器モードの２モード・スクイージングを与えるように設定される、請求項１５ないし１８のいずれか一項に記載の超電導量子力学デバイス。
20. 前記制御駆動の周波数が、マイクロ波周波数範囲内にある、請求項１５ないし１９のいずれか一項に記載の超電導量子力学デバイス。

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