JP2023532897A - 量子ビット間の結合用のシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

超伝導集積回路は、超伝導集積回路の第１の層に第１の超伝導トレースを有する第１の超伝導ループを有する第１の超伝導デバイスと、第２の層に第２の超伝導トレースを有する第２の超伝導ループを有する第２の超伝導デバイスとを有する。第１の超伝導ループは、交差領域で第２の超伝導ループと交差する。交差領域の内側の第１及び第２の超伝導トレースの各々の少なくとも一部は、交差領域の外側のトレースの各々の少なくとも一部よりも狭く、他方の経路の少なくとも一部に誘導的に近接する各迂回経路をたどる。

Description

背景
分野
この開示は一般的に、量子プロセッサの性能の向上に関し、特に、超伝導量子プロセッサにおける量子ビット間の結合に関する。

量子デバイス
量子デバイスは、量子力学的効果を観測することができる構造体である。量子デバイスは、電流輸送を量子力学的効果によって支配する回路を含む。このようなデバイスは、電子スピンを資源として使用するスピントロニクス、及び超伝導回路を含む。スピン及び超伝導性の両方は、量子力学的現象の例である。量子デバイスを、例えば、計器類及び計算システムで使用することができる。

量子計算
量子計算及び量子情報処理は、複数の種類の販売可能な製品を含む。量子コンピュータは、量子力学的現象（例えば、重ね合わせ、トンネル現象、及び量子エンタングルメント）を直接使用して、データに関する計算を実行するシステムである。

データを、量子２進数（本出願で、量子ビットとも呼ばれる）によって量子コンピュータで表すことができる。量子コンピュータは、特定の種類の計算問題（例えば、量子物理学シミュレーション）に指数関数的高速化を与えることがある。有利な高速化は、他の種類の問題に対して存在することがある。

幾つかの実装形態において、量子コンピュータは、量子回路モデルを含む。他の実装形態において、量子コンピュータは、断熱量子コンピュータを含む。断熱量子コンピュータは、例えば、ＮＰ困難最適化問題を解決するのに有用であることができる。

断熱量子計算
断熱量子計算は典型的に、ハミルトニアンを徐々に変更することによって、既知の初期ハミルトニアン（ハミルトニアンは、固有値がシステムの許容エネルギーである演算子である）から最終ハミルトニアンにシステムを進化させることを含む。断熱進化の単純な例は、初期ハミルトニアンと最終ハミルトニアンとの間の線形補間である。例を、下記によって挙げる。
Ｈ_ｅ＝（１－ｓ）Ｈ_ｉ＋ｓＨ_ｆ
但し、Ｈ_ｉは、初期ハミルトニアンであり、Ｈ_ｆは、最終ハミルトニアンであり、Ｈ_ｅは、進化又は瞬時ハミルトニアンであり、ｓは、進化速度を制御する進化係数である。システムが進化するにつれて、最初に（ｓ＝０）、進化ハミルトニアンＨ_ｅが初期ハミルトニアンＨ_ｉに等しく、最後に（ｓ＝１）、進化ハミルトニアンＨ_ｅが最終ハミルトニアンＨ_ｆに等しくなるように、進化係数ｓは、０から１に移行する。

進化が始まる前に、システムは典型的に、初期ハミルトニアンＨ_ｉの基底状態に初期化され、目標は、システムが最終ハミルトニアンＨ_ｆの基底状態になるような方法でシステムを進化させることである。進化が速過ぎる場合、システムは、より高いエネルギー状態（例えば、第１励起状態）に励起されることがある。

本出願で、断熱進化を、下記のように表される断熱条件を満たす進化として定義する。

但し、

は、ｓの時間導関数であり、ｇ（ｓ）は、ｓの関数としてシステムの基底状態と第１励起状態との間のエネルギー差（本出願で、ギャップサイズとも呼ばれる）であり、δは、１よりも非常に小さい係数（δ＜＜１）である。一般的に、初期ハミルトニアンＨ_ｉ及び最終ハミルトニアンＨ_ｆは、交換できない、即ち、［Ｈ_ｉ，Ｈ_ｆ］≠０である。

断熱量子計算でハミルトニアンを変更する工程は、本出願で、進化と呼ばれる。進化係数ｓの変化速度は、システムが進化中に進化ハミルトニアンＨ_ｅの基底状態のままであり、（ギャップサイズが最小である場合）反交差における遷移を回避するのに十分遅いことが望ましい。進化スケジュールは、線形、非線形、パラメトリックなどであってもよい。断熱量子計算システム、方法、及び装置に関する更なる詳細は、例えば、米国特許第７，１３５，７０１号及び第７，４１８，２８３号に記載されている。

量子アニーリング
量子アニーリングは、システムの低エネルギー状態、典型的に好ましくは、システムの基底状態を見付けるために使用可能な計算方法である。古典的アニーリングと概念が似ているように、量子アニーリングは、より低エネルギー状態がより安定しているので、自然系がより低エネルギー状態の傾向があるという基本原理を当てにする。古典的アニーリングは、古典的熱変動を使用して、システムを低エネルギー状態（理想的に、大域的エネルギー最小値）に導くけれども、量子アニーリングは、量子効果（例えば、量子トンネル現象）を使用して、古典的アニーリングよりも正確に及び／又は迅速に大域的エネルギー最小値に達することができる。量子アニーリングにおいて、熱的効果及び他の雑音は、アニーリングを支援するために存在することがある。最終低エネルギー状態は、大域的エネルギー最小値でないかもしれない。

断熱量子計算を、量子アニーリングの特別な場合と考えてもよい。断熱量子計算において、システムは理想的に、開始し、断熱進化全体にわたって基底状態のままである。

当業者は、一般的に、量子アニーリングシステム及び方法を断熱量子コンピュータで実施することができることが分かる。この明細書及び添付の特許請求の範囲全体にわたって、量子アニーリングへの任意の参照は、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、断熱量子計算を含むように意図されている。

量子アニーリングは、アニーリング工程中に無秩序の原因として量子力学を使用することができる。量子アニーリングを使用して最適化問題を解決するために、最適化問題を、問題ハミルトニアンＨ_Ｐに符号化し、アルゴリズムは、問題ハミルトニアンＨ_Ｐと交換できない無秩序化ハミルトニアンＨ_Ｄを追加することによって、量子効果を導入する。

進化の例は、下記の通りである。
Ｈ_Ｅ∝Ａ（ｔ）Ｈ_Ｄ＋Ｂ（ｔ）Ｈ_ｐ
但し、Ａ（ｔ）及びＢ（ｔ）は、時間依存包絡関数であり、Ｈ_Ｅは、進化ハミルトニアン（断熱量子計算の文脈で上述の進化ハミルトニアンＨ_ｅと同様）である。

無秩序化ハミルトニアンＨ_Ｄの効果を除去する、又は少なくとも減少する（即ち、Ａ（ｔ）を減少する）ことによって、無秩序を、除去する、又は少なくとも減少してもよい。無秩序を、まず追加し、次に除去してもよい。幾つかの実装形態において、時間変化包絡関数を、問題ハミルトニアンに置く。一般的な無秩序化ハミルトニアンＨ_Ｄを、下記のように表すことができる。

但し、Ｎは、量子ビットの数を表し、σ_ｉ ^ｘは、ｉ番目の量子ビットに対するパウリｘ行列であり、Δ_ｉは、ｉ番目の量子ビットに誘導される単一量子ビットトンネル分裂である。ここで、σ_ｉ ^ｘ項は、非対角項の例である。

一般的な問題ハミルトニアンＨ_Ｐは、対角単一量子ビット項に比例する第１の成分、及び対角多量子ビット項に比例する第２の成分を含む。問題ハミルトニアンを、例えば、下記のように表すことができる。

但し、Ｎは、量子ビットの数を表し、σ_ｉ ^ｚは、ｉ番目の量子ビットに対するパウリｚ行列であり、ｈ_ｉ及びＪ_ｉｊは、量子ビットに対する無次元局所場、及び量子ビット間の結合であり、εは、Ｈ_Ｐに対するある特性エネルギー尺度である。

ここで、σ_ｉ ^ｚ及びσ_ｉ ^ｚσ_ｊ ^ｚ項は、対角項の例である。σ_ｉ ^ｚは、単一量子ビット項であり、σ_ｉ ^ｚσ_ｊ ^ｚは、２量子ビット項である。本出願で、用語「問題ハミルトニアン」及び「最終ハミルトニアン」を交換可能に使用する。

上述の式におけるハミルトニアン（例えば、Ｈ_Ｄ及びＨ_Ｐ）を、様々な異なる方法で物理的に実現してもよい。特定の例を、超伝導量子ビット（例えば、超伝導磁束量子ビット）の実装形態によって実現する。

システムの量子アニーリングは、システムが、初期ハミルトニアンで始まり、基底状態が問題に対する解決策を符号化する最終（問題）ハミルトニアンＨ_Ｐに進化ハミルトニアンを介して進化するという断熱量子計算と同様である。進化が十分に遅い場合、システムは典型的に、大域的最小値（即ち、厳密解）、又はエネルギーで厳密解に近い局所的最小値に落ち着く。進化時間の関数として残留エネルギー（目的関数を用いた厳密解との差）を測定することによって、計算の性能を評価してもよい。計算時間は、許容閾値未満の残留エネルギーを生成するのに必要な時間である。量子アニーリングにおいて、問題ハミルトニアンＨ_Ｐが最適化問題を符号化することができるけれども、システムは、常に基底状態に必ずしもとどまるとは限らない。大域的最小値が、解決されるべき最適化問題に対する解答であり、低い局所的最小値が、解答への良い近似値であるように、Ｈ_Ｐのエネルギーランドスケープを作ってもよい。

量子アニーリングにおける包絡関数Ａ（ｔ）の減少は、本出願でアニーリングスケジュールと呼ばれる規定スケジュールに従ってもよく、進化スケジュールの例である。断熱量子計算の従来の形態において、システムは典型的に、開始し、進化全体にわたって基底状態のままである。量子アニーリングにおいて、システムは、アニーリングスケジュール全体にわたって基底状態のままでないかもしれない。量子アニーリングを、発見的技法として実施してもよく、基底状態のエネルギーに近いエネルギーを有する低エネルギー状態は、問題に対する近似解を与えてもよい。

超伝導量子ビット
超伝導材料の回路に基づいている一種の固体量子ビットがある。超伝導材料は、特定の条件（例えば、臨界温度、臨界電流、又は磁場強度未満）の下で、又は特定の圧力を超える幾つかの材料の場合、電気抵抗無しで導通する。超伝導量子ビットが動作する方法の基礎となることができる超伝導効果は、ａ）磁束の量子化、及びｂ）ジョセフソントンネル現象を含む。

磁束によって通される超伝導材料のループを、磁場を切りながら、超伝導材料の超伝導臨界温度未満に冷却する場合、磁束を量子化することができる。超伝導電流は、磁束を維持しようとして続く。磁束は、量子化される。超伝導性は、量子力学的効果である。超伝導材料のループにおける電流を、単一波動関数によって制御することができる。ループにおける点で単独で評価されるべき波動関数の場合、磁束は、量子化される。

超伝導材料のループにおける電流が、ループにおける小さい障害物を通り抜ける場合、例えば、電流が数ナノメートルの絶縁ギャップを通り抜ける場合、ジョセフソントンネル現象が生じる。電流量は、ループにおける小さい障害物にわたって位相差への正弦波依存性を有することがある。正弦波依存性は、システムのエネルギー準位の非調和性を引き起こすことがある非線形性である。

超伝導効果は、異なるタイプの超伝導量子ビット（例えば、磁束量子ビット、位相量子ビット、電荷量子ビット、及びハイブリッド量子ビット）を生み出すために異なる構成で存在することができる。異なるタイプの量子ビットは、超伝導材料のループ、及び物理的パラメータ（例えば、インダクタンス、静電容量、及び永久電流）用の異なるトポロジーを有することができる。

永久電流
超伝導量子ビット（例えば、超伝導磁束量子ビット）は、少なくとも１つのジョセフソン接合部によって遮断される超伝導材料のループ（本出願で、量子ビットループとも呼ばれる）を含んでもよい。量子ビットループは、本出願で、超伝導量子ビットの本体とも呼ばれる。

量子ビットループは超伝導状態であるので、量子ビットループは、事実上電気抵抗を有しない。量子ビットループで移動する電流は、エネルギー散逸を受けないことがある。電流を、例えば、磁束信号によって、量子ビットループで発生させる場合、磁束信号の源を除去しても、電流は、量子ビットループの周りに循環し続けることがある。電流が妨げられるまで、又は量子ビットループがもはや超伝導状態でなくなるまで、電流は、無限に持続することがある。

本出願の目的で、用語「永久電流」は、超伝導材料のループ（少なくとも１つのジョセフソン接合部によって遮断されるループ）を循環する電流を説明するために使用される。永久電流の符号及び大きさは、ａ）超伝導ループに直接結合される磁束信号Φ_Ｘ、及びｂ）超伝導ループを遮断する複合ジョセフソン接合部に結合される磁束信号Φ_ＣＪＪ（又はΦ_ＣＯ）（但し、これらに限定されない）を含む幾つかの要因に左右されることがある。

量子プロセッサ
量子プロセッサは、超伝導量子プロセッサの形をとってもよい。超伝導量子プロセッサは、２つ以上の超伝導量子ビット及び関連局所的バイアスデバイスを含んでもよい。更に、超伝導量子プロセッサは、超伝導量子ビットの間に連通可能結合を与えることができる結合デバイス（本出願で、結合器とも呼ばれる）を含んでもよい。本システム及びデバイスと併せて使用可能な量子プロセッサの更なる詳細及び例は、例えば、米国特許第７，５３３，０６８号、第８，００８，９４２号、第８，１９５，５９６号、第８，１９０，５４８号、及び第８，４２１，０５３号に記載されている。

量子プロセッサの任意の特定の実装形態によって解決可能な複数の種類の問題、及びこのような問題の相対的サイズ及び複雑さは、量子プロセッサにおける量子ビットの数、及び量子プロセッサにおける量子ビットの間の接続性（即ち、連通可能結合の利用可能性）を含む多くの要因に左右されることがある。

この明細書全体にわたって、用語「接続性」は、介在量子ビットを使用せずに量子プロセッサにおける個々の量子ビットを連通可能に結合するように物理的に利用できる経路の数の上限を説明するために使用される。例えば、３つの接続性を有する量子ビットを、３つの他の量子ビットに直接連通可能に結合することができ、即ち、３つの接続性を有する量子ビットを、介在量子ビットを使用せずに３つの他の量子ビットに連通可能に結合することができる。換言すれば、任意の特定の用途で、連通可能結合経路の一部又は全部（例えば、０、１つ、２つ、又は３つ）を使用することができるけれども、３つの他の量子ビットが利用できる連通可能結合経路がある。

量子ビットの間の結合デバイスを使用する量子プロセッサにおいて、例えば、３つの接続性を有する量子ビットを、３つの結合デバイスのうち各１つを介して３つの他の量子ビットの各々に選択的に連通可能に結合することができる。典型的に、量子プロセッサにおける量子ビットの数は、解決可能な問題の大きさを制限することができ、量子ビットの間の接続性は、解決可能な問題の複雑さを制限することができる。

計算問題を解決するために断熱量子計算及び／又は量子アニーリングを使用する多くの先行技術技法は、量子プロセッサに問題の表現をマップする（又は組み込む）発見方法を含むことができる。例えば、米国特許出願公開第２００８－００５２０５５号には、まず、イジングスピングラス問題としてタンパク質折り畳み問題を割り当て、次に、量子プロセッサにイジングスピングラス問題を組み込むことによって、タンパク質折り畳み問題を解決することが記載されている。米国特許第８，０７３，８０８号には、まず、二次の制約なしバイナリ最適化（「ＱＵＢＯ」）問題として問題を割り当て、次に、量子プロセッサにＱＵＢＯ問題を直接組み込むことによって、計算問題（例えば、画像マッチング問題）を解決することが記載されている。両方の場合、まず、考案された定式化（例えば、イジングスピングラス、ＱＵＢＯなど）に問題を割り当てることによって、問題を解決する。なぜなら、その特定の定式化は、使用される量子プロセッサの特定の実装形態に直接マップするからである。換言すれば、中間定式化を使用して、量子プロセッサの特定の実装形態における量子ビットの数及び／又は接続性制約に対応する形式に元の問題を再度割り当て、次に、中間定式化を、量子プロセッサに組み込むことができる。組み込み手法を、使用される量子プロセッサのアーキテクチャに固有の制限によって動かすことができる。例えば、量子ビットの間の対相互作用だけを使用する量子プロセッサ（即ち、（例えば、３つ以上の量子ビットなどの量子ビットのより大きいセットの間にではなく）量子ビットの各対の間に連通可能結合を与える結合デバイスを使用する量子プロセッサ）は、問題における二次項を、量子プロセッサにおける量子ビットの間の対相互作用に直接マップすることができるので、二次項を有する問題（例えば、ＱＵＢＯ問題）を解決するのに本質的に適している。

簡単な概要
超伝導集積回路は、超伝導集積回路の第１の層に第１の超伝導トレースを含む第１の超伝導ループを含む第１の超伝導デバイスと、超伝導集積回路の第２の層に第２の超伝導トレースを含む第２の超伝導ループを含む第２の超伝導デバイスであって、第２の層は、第１の層の上に横たわり、及び／又は第１の層に隣接し、第２の層は、介在層によって第１の層から分離されている第２の超伝導デバイスと、第１の超伝導ループが第２の超伝導ループと投影で交差する交差領域であって、交差領域の内側の第１の超伝導トレースの少なくとも一部は、交差領域の外側の第１の超伝導トレースの少なくとも一部よりも狭く、交差領域の内側の第２の超伝導トレースの少なくとも一部は、交差領域の外側の第２の超伝導トレースの少なくとも一部よりも狭く、交差領域の内側の第１の超伝導トレースの少なくとも一部は、第１の迂回経路をたどり、交差領域の内側の第２の超伝導トレースの少なくとも一部は、第２の迂回経路をたどり、第１の迂回経路及び第２の迂回経路は、第１の迂回経路の長さの少なくとも一部に対して互いに誘導的に近接する交差領域を含むように要約可能である。

幾つかの実装形態において、第１の迂回経路及び第２の迂回経路は、第１の迂回経路の長さの少なくとも一部に対して少なくとも部分的に互いの上に横たわる。

様々な上述の実装形態において、第１の超伝導ループは、第２の超伝導ループと実質的に垂直に交差する。

様々な上述の実装形態において、第１の超伝導トレース及び第２の超伝導トレースの各々は、各超伝導金属を含む。各超伝導金属は、ニオブ及びアルミニウムからなる群から選択される超伝導金属を含む。

様々な上述の実装形態において、第１の超伝導デバイスは、第１のジョセフソン接合部を更に含み、第１のジョセフソン接合部は、第１の超伝導ループを遮断し、第２の超伝導デバイスは、第２のジョセフソン接合部を更に含み、第２のジョセフソン接合部は、第２の超伝導ループを遮断する。

様々な上述の実装形態において、第１の超伝導デバイスは、第１の超伝導磁束量子ビットであり、第２の超伝導デバイスは、第２の超伝導磁束量子ビットである。

様々な上述の実装形態において、交差領域の内側の第１の超伝導トレースの少なくとも一部は、４つの方向変更を含む。

様々な上述の実装形態において、第１の迂回経路の第１の形状は、第２の迂回経路の第２の形状と一致する。

様々な上述の実装形態において、介在層は、絶縁層を含む。絶縁層は、誘電材料及び／又はエアブリッジを含んでもよい。誘電材料は、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素のうち少なくとも１つを含んでもよい。

様々な上述の実装形態において、第１の超伝導デバイス及び第２の超伝導デバイスに結合され、第１の超伝導デバイスと第２の超伝導デバイスとの間に媒介結合を与えるように連通可能に結合されている結合デバイスを更に含む。

様々な上述の実装形態において、交差領域の内側の第１の超伝導トレースの少なくとも一部及び交差領域の内側の第２の超伝導トレースの少なくとも一部の各々は、１つ又は複数のＵ字形輪郭を含む。

量子コンピュータは、様々な上述の実装形態の超伝導集積回路を含むように要約可能である。

第１の超伝導デバイスと第２の超伝導デバイスとの間の連通可能結合の大きさを同調させる方法であって、連通可能結合の大きさは、媒介連通可能結合及び直接連通可能結合の大きさの合計である方法は、第１及び第２の超伝導デバイスの間の連通可能結合の目標の大きさを判定することと、媒介連通可能結合の大きさと目標の大きさとの間の差を判定することと、媒介結合の大きさと目標の大きさとの間の差に少なくとも部分的に基づいて調整許容範囲を判定することと、第１の超伝導デバイスの第１の超伝導ループを第１の層に付着させることと、第２の超伝導デバイスの第２の超伝導ループを第２の層に付着させることであって、第２の超伝導ループは、第１の超伝導ループと交差して交差領域を形成することと、第１の迂回経路をたどり、交差領域の外側で第１の超伝導ループの少なくとも一部よりも狭くなるように、交差領域の内部で第１の超伝導ループの少なくとも一部を調整許容範囲だけ調整することと、第２の迂回経路をたどり、交差領域の外側で第２の超伝導ループの少なくとも一部よりも狭くなるように、交差領域の内部で第２の超伝導ループの少なくとも一部を調整許容範囲だけ調整することであって、その結果、第１の迂回経路及び第２の迂回経路は、第１の迂回経路の長さの少なくとも一部に対して互いに誘導的に近接することを含むように要約可能である。

幾つかの実装形態において、方法は、第１の層と第２の層との間に介在層を付着させることを更に含む。第１の層と第２の層との間に介在層を付着させることは、絶縁層を付着させることを含んでもよい。絶縁層を付着させることは、誘電材料の層を付着させること、及び／又はエアブリッジを形成することを含んでもよい。

様々な上述の実装形態において、第２の超伝導デバイスの第２の超伝導ループを第２の層に付着させることは、第２の層の少なくとも一部が第１の層の少なくとも一部の上に横たわるように、第２の超伝導デバイスの第２の超伝導ループを第２の層に付着させることを含む。

幾つかの実装形態において、第１の超伝導ループの少なくとも一部を調整許容範囲だけ調整することは、０．５μｍと２．０μｍとの間の幅に第１の超伝導ループの少なくとも一部を調整することを含む。

幾つかの実装形態において、第１の超伝導ループの少なくとも一部を調整許容範囲だけ調整することは、第１の超伝導ループの少なくとも一部の調整幅エッチングを実行することを含む。第１の超伝導ループの少なくとも一部の調整幅エッチングを実行することは、第１の硬質マスクを付着させ、第１の超伝導ループの少なくとも一部の少なくとも一部の上に横たわることと、第２の硬質マスクを付着させ、第１の硬質マスクの少なくとも一部の上に横たわることと、フォトレジスト層を付着させ、第２の硬質マスクの少なくとも一部の上に横たわることと、フォトレジスト層をパターン形成し、所定の調整幅を規定することと、第１の超伝導ループの少なくとも一部をエッチングし、所定の調整幅を除去することとを含んでもよい。

集積回路を形成する方法は、集積回路の第１の層に第１のトレースを含む第１のデバイスを形成することと、集積回路の第２の層に第２のトレースを含む第２のデバイスを形成することであって、第２のトレースの少なくとも一部は、第１のトレースの少なくとも一部に誘導的に近接し、これによって、第１のデバイスと第２のデバイスとの間に誘導連通可能結合があり、第１のトレースの少なくとも一部は、第１のトレースの少なくとも別の一部よりも狭いこととを含むように要約可能である。

幾つかの実装形態において、第２のデバイスを形成することは、第２のデバイスを形成することを含み、第２のトレースの少なくとも一部は、第２のトレースの少なくとも別の一部よりも狭い。

幾つかの実装形態において、第１のデバイスを形成することは、第１の超伝導デバイスを形成することを含み、第２のデバイスを形成することは、第２の超伝導デバイスを形成することを含む。第１の超伝導デバイスを形成することは、超伝導材料を付着させることを含んでもよい。第１の超伝導デバイスを形成することは、第１の迂回経路をたどり、第１のトレースの少なくとも別の一部よりも狭くなるように、第１のトレースの少なくとも一部を調整することを更に含んでもよい。

様々な上述の実装形態において、第２の超伝導デバイスを形成することは、媒介結合デバイスに誘導的に近接する第２の超伝導デバイスを形成することを含み、媒介結合デバイスは、第１の超伝導デバイスと第２の超伝導デバイスとの間に連通可能結合を与える。媒介結合デバイスに誘導的に近接する第２の超伝導デバイスを形成することは、第１の超伝導デバイスと第２の超伝導デバイスとの間に反強磁性（ＡＦＭ）結合を与える媒介結合デバイスに誘導的に近接する第２の超伝導デバイスを形成することを含んでもよく、これによって、第１の超伝導デバイスと第２の超伝導デバイスとの間の誘導連通可能結合は、反強磁性結合を増加する。

超伝導集積回路は、超伝導集積回路の第１の層に第１の超伝導トレースを含む第１の超伝導ループを含む第１の超伝導デバイスと、超伝導集積回路の第２の層に第２の超伝導トレースを含む第２の超伝導ループを含む第２の超伝導デバイスと、第１の超伝導ループの一部が第２の超伝導ループの一部と重複する領域であって、領域の内部の第１の超伝導トレースの少なくとも一部は、領域の外側の第１の超伝導トレースの少なくとも一部よりも狭く、領域の内部の第２の超伝導トレースの少なくとも一部は、領域の外側の第２の超伝導トレースの少なくとも一部よりも狭く、領域の内部の第１の超伝導トレースの少なくとも一部は、第１の経路をたどり、領域の内部の第２の超伝導トレースの少なくとも一部は、第２の経路をたどり、第１の経路及び第２の経路は、第１の経路の長さの少なくとも一部に対して互いに誘導的に近接する領域を含むように要約可能である。

幾つかの実装形態において、第１の層は、第２の層と異なる層である。

幾つかの実装形態において、第１の層は、介在層によって第２の層から分離されている。

幾つかの実装形態において、第１の経路は、迂回経路である。第１の経路及び第２の経路は、一致してもよい。

幾つかの実装形態において、第１の経路及び第２の経路は、少なくとも部分的に互いの上に横たわる。

図面の幾つかの図の簡単な説明
図面において、同じ参照符号は、同様の要素又は動作を識別する。図面における要素のサイズ及び相対位置は、必ずしも原寸に比例しているとは限らない。例えば、様々な要素の形状及び角度は、必ずしも原寸に比例しているとは限らず、これらの要素の一部を、任意に拡大及び位置決めして、図面視認性を向上させてもよい。更に、図示のような要素の特定の形状は、特定の要素の実際の形状に関する任意の情報を伝えるように意図されていなく、図面における認識を簡単にするために選択されているだけである。

本システム及び方法による、例示的な媒介結合レイアウトの略図である。 本システム及び方法による、例示的なハイブリッド媒介及び直接結合レイアウトの略図である。 本システム及び方法による、別の例示的なハイブリッド媒介及び直接結合レイアウトの略図である。 本システム及び方法による、別の例示的なハイブリッド媒介及び直接結合レイアウトの略図である。 本システム及び方法による、別の例示的なハイブリッド媒介及び直接結合レイアウトの略図である。 本システム及び方法による、各超伝導デバイスの各ループが交差領域に内向き湾曲部を有する、互いに連通可能に結合される１対の超伝導デバイスの例示的なレイアウトの略図である。 本システム及び方法による、図６Ａのレイアウトの交差領域の実装形態の例の略図である。 本システム及び方法による、各超伝導デバイスの各ループが交差領域に外向き湾曲部を有する、互いに連通可能に結合される１対の超伝導デバイスの別の例示的なレイアウトの略図である。 本システム及び方法による、図７Ａのレイアウトの交差領域の実装形態の例の略図である。 本システム及び方法による、各超伝導デバイスの各ループが交差領域に多数の湾曲部を有する、互いに連通可能に結合される１対の超伝導デバイスの別の例示的なレイアウトの略図である。 本システム及び方法による、図８Ａのレイアウトの交差領域の実装形態の例の略図である。 本システム及び方法による、図８Ａのレイアウトの交差領域の実装形態の別の例の略図である。 本システム及び方法による、例示的な超伝導量子プロセッサのトポロジーの略図である。 本システム及び方法による、互いに直接連通可能に結合される１対の超伝導デバイスの例示的なレイアウトの略図である。 本システム及び方法による、互いに直接連通可能に結合される１対の超伝導デバイスの別の例示的なレイアウトの略図である。 本システム、デバイス、物、及び方法による、アナログコンピュータに結合されたデジタルコンピュータを含むハイブリッド計算システムの例の略図である。 本システム及び方法による、超伝導集積回路の一部の断面である。 本システム及び方法による、超伝導集積回路の一部の別の断面である。 本システム及び方法による、集積回路を形成する方法の例のフローチャートである。 本システム及び方法による、図１４Ａの第１の経路の調整用の方法の例のフローチャートである。

詳細な説明
下記の説明において、様々な開示の実施形態を完全に理解するために、ある特定の詳細を記載する。しかし、当業者は、これらの特定の詳細のうち１つ又は複数の詳細無しで、又は他の方法、構成要素、材料などを用いて、実施形態を実施することができることが分かる。他の場合、実施形態の不必要に曖昧な説明を避けるために、量子プロセッサ、量子ビット、結合器、読み出しデバイス及び／又はインターフェースに関連する周知の構造は、詳細に示されていない又は説明されていない。

文脈上他の意味に解すべき場合を除き、下記の明細書及び特許請求の範囲全体にわたって、用語「含む（Comprise）」及び変型例、例えば、「含む（comprises）」及び「含む（comprising）」は、制約のない包含的な意味で、即ち、「含む（including）、但し、限定されない」と解釈されるべきである。

この明細書全体にわたる「１つの例（one example）」、「ある例（an example）」、「１つの実施形態（one embodiment）」又は「ある実施形態（an embodiment）」の参照は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造又は特性を、少なくとも１つの実施形態に含むことを意味する。従って、この明細書全体にわたる様々な箇所における用語「１つの例で（in one example）」、「ある例で（in an example）」、「１つの実施形態で（in one embodiment）」又は「ある実施形態で（in an embodiment）」の出現は全て、必ずしも同じ実施形態を参照するとは限らない。更に、特定の特徴、構造又は特性を、１つ又は複数の実施形態に任意の適切な方法で組み合わせてもよい。

この明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形「１つの（a）」、「１つの（an）」、及び「その（the）」は、他に明示的に指示がない限り、複数の指示対象を含む。用語「又は（or）」を、他に明示的に指示がない限り、「及び／又は（and/or）」を含む意味で一般的に使用することにも留意すべきである。

この明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、「誘導的に近接する」は、適切に方向付けられ、構造体における電流の流れが他方の構造体における電流の流れを直接誘導するのに別の構造体に十分近い構造体（例えば、デバイス、線、又はトレース）を意味する。「適切に方向付けられ」は典型的に、平行、又は少なくとも非直交を意味する。

この明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、「重複する」は、介在構造体の有無に関係なく、別の構造体と少なくとも部分的に交差する又は別の構造体を含む平面図又は立面図で構造体の投影を意味する。

この明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、「上に横たわる」は、典型的に１つ又は複数の介在層を有する別の構造体と少なくとも部分的に交差する又は別の構造体を含む平面図で構造体の投影を意味する。

この明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、「隣接する」は、典型的に１つ又は複数の介在材料を有する別の構造体と少なくとも部分的に交差する又は別の構造体を含む立面図で構造体の投影を意味する。

重複構造体は、製造物又はチップの平面図又は主面又は主表面（例えば、上部又は下部）に垂直な投影で上に横たわってもよく（例えば、上／下）、及び／又は、製造物又はチップの立面図又は副面又は副表面（例えば、エッジ）に垂直な投影で隣接していてもよい（例えば、並列又は直列）。重複構造体は、別の構造体に誘導的に近接してもよく、又は近接しなくてもよい。

構造体は、下から次の配線層、又は下から２つの配線層などの上で、別の構造体と重複してもよい。重複構造体は、部分的重複構造体及び完全重複構造体を含む。構造体は、例えば、超伝導ループ、又は超伝導ループの一部であってもよい。用語「重複」、「重複する」などは、向きに関係なく、即ち、１つの構造体が、別の構造体の上又は下に、又は別の構造体の側面に存在するかどうかに関係なく、適用される。

重複構造体は、互いに近接する、即ち、他方の構造体の少なくとも一部に平行に走る（又は、少なくとも非直交である）一方の構造体の少なくとも一部を有していてもよく、一部が、一方の構造体に流れる電流が他方の構造体に電流を誘導するように十分密に配置される。本出願で、誘導的に近接する構造体を、互いに直接誘導連通可能結合することができる。

構造体が多層集積回路の異なる層にある場合、構造体は、別の構造体に誘導的に近接してもよく、構造体は、他の構造体の上に少なくとも部分的に横たわる。構造体が多層集積回路の同じ層にある場合、構造体は、別の構造体に誘導的に近接してもよく、構造体は、他の構造体に少なくとも部分的に隣接する。構造体が、適切に方向付けられ、構造体における電流の流れが他方の構造体における電流の流れを直接誘導するのに他の構造体に十分近いという条件で、構造体が、異なる層にあり、上に横たわっていない場合、構造体は、別の構造体に誘導的に近接してもよい。

重複及び隣接構造体について、例えば、それぞれ下記の図１３Ａ及び図１３Ｂを参照して説明する。本出願における隣接構造体を、少なくとも１つの介在層又は材料によって分離する。典型的に、介在層又は材料は、絶縁層である。多層集積回路の場合、隣接構造体は典型的に、互いに同じ層にあり、介在材料によって分離される。

ここで与えられる開示の見出し及び要約書は、単に便宜のためであり、実施形態の範囲又は意味を解釈しない。

量子プロセッサの性能を向上させることが望ましい。性能を向上させる１つの手法は、量子プロセッサのエネルギー尺度を増加することである。量子プロセッサにおける結合デバイスの臨界電流を増加することによって、量子プロセッサのエネルギー尺度を増加することができるけれども、どのくらいエネルギー尺度をこのように増加することができるかに対する制約がある。

後述のシステム及び方法は、単独で、又は結合デバイスを介した媒介結合と組み合わせて、直接量子ビット間結合（即ち、介在結合デバイスを有しない）を使用することによって、量子プロセッサのエネルギー尺度を増加することを目的としている。後述のシステム及び方法は、製造中に同調可能な直接結合を与えることができる。後述のシステム及び方法の利点は、有利なことに、ａ）（離散ステップにおける同調ではなく）連続可変同調、及びｂ）集積回路に対する空間の不利益を殆ど受けない又は全く受けないことを含む。

デバイス（例えば、量子プロセッサにおける１対の超伝導量子ビット）間の結合を、結合強度によって特徴付けることができる。結合強度は、デバイス間の相互作用の強度を定量化する。デバイス間の相互作用は、結合強度の符号に応じて、強磁性又は反強磁性であることができる。慣例により、正結合強度は、反強磁性相互作用を特徴付けることができ、負結合強度は、強磁性相互作用を特徴付けることができる。強磁性（ＦＭ）相互作用及び反強磁性（ＡＦＭ）相互作用の両方を含むことは、量子プロセッサにとって有益であることができる。

ＦＭ及びＡＦＭ相互作用の定義は、１対の連通可能結合量子ビットの各量子ビットにおける永久電流の方向、及び永久電流が２量子ビットシステムのハミルトニアンにどの程度影響を与えるかに基づくことができる。２つの量子ビットの間の相互インダクタンス（即ち、結合）が正である場合、２つの量子ビットにおける電流が、反対方向に流れるということになる。これは、本出願で、ＡＦＭ相互作用と呼ばれる。

幾つかの実装形態において、結合デバイスの複合ジョセフソン接合部にバイアスをかけることによって、ＦＭ結合を達成する。幾つかの実装形態において、連通可能結合量子ビットの直接結合を用いて、（ＦＭ結合ではなく）ＡＦＭ結合を向上させることは、優先的に有益である。

相互インダクタンスは、２つの誘導子（例えば、２つの超伝導量子ビット）の間の結合の尺度であることができる。量子プロセッサにおける問題ハミルトニアンを指定するエネルギー尺度Ｅを、下記のように表すことができる。
Ｅ＝Ｍ_ＡＦＭＩ_Ｐ ^２
但し、Ｍ_ＡＦＭは、２つの連通可能結合超伝導デバイス（例えば、結合デバイスによって連通可能に結合される２つの超伝導量子ビット）の間の反強磁性相互インダクタンスであり、Ｉ_Ｐは、２つの超伝導デバイスの平均永久電流である。

例えば、相互インダクタンスＭ_ＡＦＭ及び平均永久電流Ｉ_Ｐの片方又は両方を増加することによってエネルギー尺度Ｅを増加することによって、量子プロセッサの性能を向上させることができる。

結合デバイスによって連通可能に結合される２つの超伝導デバイスの間の相互インダクタンスは、ａ）結合デバイスのインダクタンス、及びｂ）各超伝導デバイスと結合デバイスとの間の各相互インダクタンスによって制限されることがある。

２つの連通可能結合超伝導デバイスの間の反強磁性相互インダクタンスを、下記のように表すことができる。
Ｍ_ＡＦＭ＝Ｍ_１Ｍ_２χ_ＡＦＭ
但し、Ｍ_１は、第１の超伝導デバイスと結合デバイスとの間の相互インダクタンスであり、Ｍ_２は、第２の超伝導デバイスと結合デバイスとの間の相互インダクタンスであり、χ_ＡＦＭは、結合デバイスの磁化率である。

結合デバイスの磁化率χ_ＡＦＭは、結合デバイスが２つの超伝導デバイスをどの程度強く連通可能に結合することができるかの尺度であることができる。結合デバイスの磁化率を、結合デバイスの磁束バイアスφ_ＣＯによって少なくとも部分的に設定することができる。結合デバイスの臨界電流Ｉ_Ｃを増加すると、結合デバイスの磁化率χ_ＡＦＭは、１／Ｌ_ＣＯ（但し、Ｌ_ＣＯは、結合デバイスのインダクタンスである）の上限まで増加するようにすることができる。結合デバイスの永久電流を増加すると、結合デバイスの磁化率χ_ＡＦＭは、増加するようにすることができる。例えば、幾つかの実装形態において、永久電流を１０倍増加する場合、結合デバイスの磁化率χ_ＡＦＭを、少なくとも約２倍にすることができる。

結合デバイスの永久電流を増加すると、結合デバイスのスクリーニングパラメータ（本出願で、ベータβとも呼ばれる）を増加することもできる。結合デバイスのベータは、結合デバイスにおける超伝導ループの挙動を記述するパラメータである。結合デバイスのベータを、下記のように表すことができる。
β＝２πＬ_ＣＯＩ_Ｃ／φ_０
但し、φ_０は、超伝導ループの磁束量子である。

例えば、臨界電流Ｉ_Ｃを増加することによって結合デバイスのベータを増加すると、強磁性領域で結合デバイスの磁化率χ_ＡＦＭの勾配を増加することができる。結合デバイスの臨界電流Ｉ_Ｃを増加すると、強磁性及び／又は反強磁性結合を指定することができる精度が減少することがある。

量子プロセッサのエネルギー尺度を増加する１つの手法は、結合デバイスの臨界電流を増加することである。上述のように、結合デバイスの臨界電流Ｉ_Ｃを増加すると、結合デバイスのベータβを増加することができる。結合デバイスの臨界電流を増加することによってベータβを増加すると、結合デバイスの磁化率χ_ＡＦＭを増加することができ、即ち、ベータβを増加すると、印加磁束に対して結合デバイスの本体に流れる電流の導関数ｄＩ_Ｐ／ｄφ_ｘを増加することができる。臨界電流を増加することによって磁化率をどのくらい増加することができるかに対して限界がある。磁化率は、非線形関数であり、その結果、結合デバイスの臨界電流を増加すると、磁化率χ_ＡＦＭは、戻りの減少と共に増加することがある。

量子プロセッサのエネルギー尺度を増加する別の手法は、２つ以上の超伝導デバイスの本体の間の直接結合を実施することである。幾つかの実装形態において、結合デバイスによって更に連通可能に結合される１対の超伝導デバイスの間の直接結合（即ち、介在デバイスを有しない）がある。幾つかの実装形態において、直接結合は、誘導結合である。結合デバイスによって連通可能に結合される１対の超伝導デバイスは、ａ）１対の超伝導量子ビット、ｂ）超伝導量子ビット及び別の超伝導デバイス、又はｃ）互いに結合可能な任意の対の超伝導ループ（例えば、超伝導量子ビット、量子磁束パラメトロン（ＱＦＰ）、乗算器、及びＬ同調器）であってもよい。少なくとも１つのジョセフソン接合部によって遮断される超伝導材料のループを各々含む１対の超伝導デバイスは、超伝導デバイスの対の超伝導デバイスの間に直接結合を含むように構成されていてもよい。

このような他の超伝導デバイスの詳細な説明は、例えば、米国特許第８，１６９，２３１号及び第７，８４３，２０９号、及び米国特許出願公開第２０１１－００５７１６９Ａ１号及び第２０１１－００６０７８０Ａ１号で行われている。量子プロセッサのエネルギー尺度を増加するシステム及び方法の例は、米国特許第９，１２９，２２４号に挙げられている。

超伝導デバイスの間の直接結合は、例えば、直接結合が超伝導デバイスの間に不要なクロストークを引き起こすことがあるので、望ましくない。本出願は、２つの連通可能結合超伝導デバイスの間に既知の反強磁性又は強磁性直接結合を追加すると、結合デバイスの非対称感受性を有益に利用することができると分かる。

例えば、直接結合がない場合、（上述のように）相互インダクタンスＭ_ＡＦＭが、Ｍ_１Ｍ_１χ_ＡＦＭに制限されることがあるけれども、下記のように、直接結合を追加することによって、より強い反強磁性結合を実現してもよい。
Ｍ_ＡＦＭ＝Ｍ_１Ｍ_１χ_ＡＦＭ＋Ｍ_ＱＱ
但し、Ｍ_ＱＱは、直接結合の相互インダクタンスである。

連通可能結合超伝導デバイスの間に直接強磁性又は反強磁性結合を誘導するようにデバイスを構成することによって、連通可能結合超伝導デバイス（例えば、１対の連通可能結合超伝導デバイス）の間に直接結合を追加してもよい。連通可能結合超伝導デバイスの間に直接結合を誘導するように量子ビット（例えば、１対の量子ビット）を構成することは、例えば、量子ビットの交差形状を構成することを含むことができる。

上述のように、各量子ビットは、少なくとも１つのジョセフソン接合部によって遮断される超伝導材料のループ（本出願で、超伝導ループとも呼ばれる）を含むことができる。幾つかの実装形態において、ジョセフソン接合部は、複合ジョセフソン接合部である。幾つかの実装形態において、ジョセフソン接合部は、複合－複合ジョセフソン接合部、即ち、構成ジョセフソン接合部のうち少なくとも１つがそれ自体複合ジョセフソン接合部である複合ジョセフソン接合部である。

量子ビットの間の直接結合は、反強磁性結合、強磁性結合、又はゼロ結合であってもよい。

幾つかの実装形態において、量子ビットが重複する領域における量子ビットトレースの調整の有無にかかわらず、互いに直交するように１対の連通可能結合量子ビットの各々の各長軸を配置することによって、ゼロ直接結合を達成することができる。

幾つかの実装形態において、例えば、量子ビットトレースが外向き湾曲部（例えば、図７参照）を有するように量子ビットトレースを調整することによって、強磁性結合を達成することができる。

本出願に記載の様々な実装形態は、連通可能結合超伝導デバイス（例えば、１対の超伝導量子ビット）の間に直接結合を追加することによって、量子プロセッサのエネルギー尺度を増加するシステム及び方法を提供する。更に、連通可能結合超伝導デバイスは、結合デバイスによって媒介される連通可能結合を有してもよい。

更に、本出願に記載の様々な実装形態は、量子プロセッサにおける結合デバイスの応答又は感受性の線形性を増加することによって、量子プロセッサのエネルギー尺度を増加するシステム及び方法を提供する。

説明に役立つ例として、断熱量子計算及び／又は量子アニーリングを実行するように設計されている超伝導量子プロセッサを、下記の説明で使用する。しかし、他の形態の量子プロセッサハードウェア、及び他の形態の量子アルゴリズム（例えば、断熱量子計算、量子アニーリング、及びゲート及び／又は回路ベースの量子計算）を実施する量子プロセッサに本システム及び方法を適用することができることが、当業者は分かる。

図１は、例示的な媒介結合レイアウト１００の略図である。例示的な媒介結合レイアウト１００は、結合デバイス１０６によって互いに連通可能に結合される１対の超伝導デバイス１０２及び１０４を含む。例示的な媒介結合レイアウト１００において、２つの超伝導デバイス１０２及び１０４の間に誘導される直接結合が、殆どない又はない。例示的なレイアウト１００において、超伝導デバイス１０２及び１０４の間に媒介連通可能結合がある。媒介連通可能結合を、結合デバイス１０６によって媒介することができる。

超伝導デバイス１０２は、ジョセフソン接合部１１０によって遮断される超伝導ループ１０８を含む。超伝導デバイス１０４は、ジョセフソン接合部１１４によって遮断される超伝導ループ１１２（図１に点線で示す）を含む。ジョセフソン接合部（例えば、ジョセフソン接合部１１０及び１１４）を、本出願の図１～図５、図６Ａ、図７Ａ、及び図８Ａに×で表す。

本出願で、超伝導ループを、臨界温度未満で超伝導状態である材料の閉ループとして定義する。幾つかの実装形態において、超伝導ループは、超伝導線の閉ループである。幾つかの実装形態において、超伝導ループは、超伝導集積回路において閉ループで走る超伝導回路トレース（本出願で、トレースとも呼ばれる）である。超伝導トレースは、超伝導集積回路における経路である。超伝導トレースは、例えば、閉ループで、又は超伝導集積回路の構成要素回路の間に電流が流れることができる超伝導材料の線を含む。幾つかの実装形態において、超伝導ループは、超伝導線及び少なくとも１つの超伝導トレースを含む。

幾つかの実装形態において、超伝導ループは、長軸及び短軸を有する細長いループである。超伝導ループの向きを、長軸の方向として定義してもよい。例えば、超伝導ループ１０８は、長軸１２８及び短軸１３０を有する。超伝導ループ１０８の向き１３２を、長軸１２８の方向として定義してもよい。超伝導集積回路は、１つ又は複数の超伝導構成要素回路を含む集積回路である。

幾つかの実装形態において、超伝導ループは、多層超伝導集積回路の層で形成されたトレースである。幾つかの実装形態において、超伝導ループ１０８及び１１２の片方又は両方は、超伝導金属（例えば、ニオブ及び／又はアルミニウム）を含む。幾つかの実装形態において、超伝導ループ１０８及び１１２の各々は、多層超伝導集積回路の各層で形成されたトレースであり、各々の各層は、各絶縁層によって他方から分離されている。幾つかの実装形態において、各絶縁層は、二酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素を含む。

超伝導デバイス１０２及び１０４は、１つを超えるジョセフソン接合部を含んでもよい。幾つかの実装形態において、ジョセフソン接合部１１０及び１１４の片方又は両方は、複合ジョセフソン接合部である。幾つかの実装形態において、ジョセフソン接合部１１０及び１１４の片方又は両方は、複合－複合ジョセフソン接合部である。複合ジョセフソン接合部は、互いに電気的に平行な１対のジョセフソン接合部を含むジョセフソン接合部である。複合－複合ジョセフソン接合部は、少なくとも１つの構成ジョセフソン接合部が複合ジョセフソン接合部である複合ジョセフソン接合部である。

結合デバイス１０６は、それぞれ超伝導デバイス１０２及び１０４の超伝導ループ１０８及び１１２の間の相互インダクタンスによって超伝導デバイス１０２及び１０４を互いに連通可能に結合するように動作可能である。結合デバイス１０６は、超伝導ループ１１６を含む。図１のレイアウト１００などの幾つかの実装形態において、超伝導ループ１１６を、ジョセフソン接合部１１８によって遮断する。ジョセフソン接合部１１８は、複合ジョセフソン接合部又は複合－複合ジョセフソン接合部であってもよい。幾つかの実装形態において、結合デバイス１０６は、１つを超えるジョセフソン接合部を含む。

図１において、超伝導デバイス１０２及び１０４の交差形状をより明確に説明するために、超伝導デバイス１０２を実線で描く一方、超伝導デバイス１０４を点線で描く。例示的なレイアウト１００において、超伝導デバイス１０２は、超伝導デバイス１０４と実質的に垂直に交差する。超伝導デバイス１０２及び１０４が交差する領域は、本出願で、交差領域１２０と呼ばれる。本出願は、超伝導デバイス１０２の一部が超伝導デバイス１０４の一部の上に横たわって結合を与える交差領域１２０のレイアウトを説明する。例えば、図１の配置用に適している図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂ、及び図８Ｃに示す交差領域のレイアウトを参照せよ。迂回経路を有する交差領域１２０の他のレイアウトを同様に使用してもよい。例えば、製造中に交差領域１２０における超伝導ループ１０８及び１１２の選択的調整によって、幾つかの実装形態において、超伝導回路に対する空間の不利益を受けることなく、超伝導デバイス１０２及び１０４の直接連通可能結合の大きさを制御することができる。

本出願で、１つの超伝導デバイスの一部（例えば、トレース又はループ）が、他方の超伝導デバイスの一部と９０°±１０°の角度で交差する場合、１つの超伝導デバイスは、別の超伝導デバイスと実質的に垂直に交差すると見なされる。

幾つかの実装形態において、超伝導デバイスは、超伝導ループを含む。超伝導デバイスの向きを、超伝導ループの向きによって定義してもよい。幾つかの実装形態において、超伝導ループは、長手方向に長軸を有し、長軸に垂直な短軸を有する細長い形状を有する。この場合、超伝導ループの向きを、長軸の向きによって定義することができる。１つの超伝導ループの長軸が、他方の超伝導ループの長軸と９０°±１０°の角度で交差する場合、１つの超伝導ループは、別の超伝導ループと実質的に垂直に交差すると見なされることができる。図１に示す実装形態について説明する。超伝導ループ１０８及び１１２の長軸（本出願で、長手方向軸とも呼ばれる）が９０°±１０°の角度で交差する時に、超伝導デバイス１０２は、超伝導デバイス１０４と実質的に垂直である。

超伝導ループ１１２における励磁電流１２２は、結合デバイス１０６に電流１２４を誘導することができ、次に、超伝導ループ１０８に電流１２６を誘導することができ、これによって、超伝導デバイス１０２及び１０４の間に媒介誘導連通可能結合を与える。

幾つかの実装形態において、結合デバイス１０６にバイアスをかけることによって、直接結合を無効にすることができる。幾つかの実装形態において、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）を使用し、バイアスをかけ、直接結合を無効にし、及び／又は、組み合わせ直接及び媒介結合の強度を調節する。

幾つかの実装形態において、超伝導デバイス１０２及び１０４は、１対の超伝導量子ビットである。他の実装形態において、超伝導デバイス１０２は、超伝導量子ビットであり、超伝導デバイス１０４は、超伝導デバイス１０２を結合デバイス１０６によって連通可能に結合する別のタイプの超伝導デバイスである。例えば、超伝導デバイス１０４は、量子磁束パラメトロン（ＱＦＰ）、乗算器、ＤＡＣ、及び同調ジョセフソンインダクタンス（本出願で、略してインダクタンス同調器又はＬ同調器とも呼ばれる）のうち１つであってもよい。更に他の実装形態において、超伝導デバイス１０２及び１０４は、１対の連通可能結合超伝導デバイスの適切な組み合わせ（例えば、超伝導量子ビット、ＱＦＰ、乗算器、及び／又はＬ同調器）を形成する。

超伝導デバイス１０２及び１０４の間の相互インダクタンスを、下記のように表すことができる。
Ｍ_ＡＦＭ＝Ｍ_１０２Ｍ_１０４χ_１０６
但し、Ｍ_１０２は、超伝導デバイス１０２と結合デバイス１０６との間の相互インダクタンスであり、Ｍ_１０４は、超伝導デバイス１０４と結合デバイス１０６との間の相互インダクタンスであり、χ_１０６は、結合デバイス１０６の磁化率である。例示的なレイアウト１００において、超伝導デバイス１０２の超伝導ループ１０８は、超伝導デバイス１０４の超伝導ループ１１２と実質的に垂直に走るので、超伝導ループ１０８及び１１２の間の相互インダクタンスによって超伝導デバイス１０２及び１０４の間に誘導される直接結合が、殆どない又はない。

直接結合を、超伝導デバイスの形状を互いに対して配置することによって１対の連通可能結合超伝導デバイスの間に誘導してもよい。例えば、超伝導デバイスのうち１つの超伝導デバイスの超伝導ループの少なくとも一部を、他方の超伝導デバイスの超伝導ループの少なくとも一部に対して非直交角度であるように配置することによって、直接結合を誘導してもよい。

互いに対して非直交角度での超伝導ループの少なくとも一部の交差は、超伝導ループの間にクロストークを引き起こすことがある。クロストークは、２つの連通可能結合超伝導ループの相互インダクタンスを増加することがある。２つの超伝導デバイスが量子プロセッサの要素である場合、クロストークは、量子プロセッサのエネルギー尺度を増加することになることがある。幾つかの状況において、クロストークは、望ましくないことがあるけれども、有利なことに、量子プロセッサの性能を有益に向上させることができる量子プロセッサのエネルギー尺度を制御可能に増加するために、１対の超伝導デバイスの間に誘導されるクロストークを使用してもよい。量子プロセッサの性能の向上は、量子プロセッサによって実現される解決策の質の向上、及び／又は解決策に達する時間の短縮を含んでもよい。

図２は、例示的なハイブリッド媒介及び直接結合レイアウト２００の略図である。例示的なレイアウト２００は、結合デバイス２０６によって互いに連通可能に結合される１対の超伝導デバイス２０２及び２０４を含む。超伝導デバイス２０２及び２０４の交差形状をより明確に説明するために、超伝導デバイス２０２を実線で描く一方、超伝導デバイス２０４を点線で描く。例示的なレイアウト２００において、超伝導デバイス２０２は、超伝導デバイス２０４と実質的に垂直に交差する。

超伝導デバイス２０２は、ジョセフソン接合部２１０によって遮断される超伝導ループ２０８を含む。超伝導デバイス２０４は、ジョセフソン接合部２１４によって遮断される超伝導ループ２１２を含む。幾つかの実装形態において、超伝導ループ２０８及び２１２の片方又は両方は、超伝導金属（例えば、ニオブ及び／又はアルミニウム）を含む。

超伝導デバイス２０２及び２０４は、１つを超えるジョセフソン接合部を含んでもよい。幾つかの実装形態において、ジョセフソン接合部２１０及び２１４の片方又は両方は、複合ジョセフソン接合部である。幾つかの実装形態において、ジョセフソン接合部２１０及び２１４の片方又は両方は、複合－複合ジョセフソン接合部である。幾つかの実装形態において、超伝導デバイス２０２及び２０４は、超伝導量子ビット（例えば、超伝導磁束量子ビット）である。

結合デバイス２０６は、それぞれ超伝導ループ２０８及び２１２の間の相互インダクタンスによって超伝導デバイス２０２及び２０４を互いに連通可能に結合するように動作可能である。

図１の例示的なレイアウト１００と違って、超伝導デバイス２０２の超伝導ループ２０８の一部を、成形領域２１６において超伝導デバイス２０４の超伝導ループ２１２の一部に対して非直交角度で配置する。このような配置は、超伝導デバイス２０２及び２０４の間の相互インダクタンスＭ_ＱＱ（本出願で、直接結合とも呼ばれる）を誘導することができる。直接結合は、直接誘導結合であってもよい。図２の例示的なレイアウト２００において、超伝導デバイス２０２の超伝導ループ２０８の一部を、成形領域２１６において超伝導デバイス２０４の超伝導ループ２１２の一部と実質的に平行であるように配置する。

幾つかの実装形態において、超伝導デバイス２０２の超伝導ループ２０８の一部は、湾曲部、即ち、残りのループの向きを遮断する向きの短い急激な変化を有する。例えば、レイアウト２００は、湾曲部２１８を含む。湾曲部２１８は、超伝導ループ２０８の一部が、超伝導デバイス２０４の超伝導ループ２１２の一部と実質的に平行であるようにする。幾つかの実装形態において、超伝導デバイス２０２の超伝導ループ２０８は、Ｚ字形である。他の実装形態において、超伝導デバイス２０２の超伝導ループ２０８は、Ｌ字形である。

超伝導ループ２１２における励磁電流２２０は、超伝導ループ２０８に電流２２２を誘導することができる。

超伝導ループ２０８及び２１２の近接及び相対的向きによって誘導される相互インダクタンスＭ_ＱＱに加えて、結合デバイス２０６（超伝導デバイス２０２及び２０４の間に連通可能結合を与える）は、上述のように相互インダクタンスＭ_ＡＦＭを与えることができる。誘導相互インダクタンスは、例えば、反強磁性結合を与えることができる。超伝導デバイス２０２及び２０４の間の全相互インダクタンスは、相互インダクタンスＭ_ＡＦＭ及びＭ_ＱＱからの寄与を含むことができる。

成形領域２１６又は成形領域２１６の近傍で超伝導デバイス２０２及び２０４の間に誘導される直接結合の向きは、超伝導デバイス２０２及び２０４の超伝導ループ２０８及び２１２の各々に流れる電流の方向に少なくとも部分的に左右されることがある。直接結合の向きは、超伝導デバイス２０２及び２０４のトレースが重複する領域における超伝導デバイス２０２及び２０４のトレースの形状に左右されることがある。（例えば、成形領域２１６又は成形領域２１６の近傍における）超伝導デバイス２０２及び２０４の交差形状は、相互インダクタンスＭ_ＱＱが、強磁性、反強磁性、又はゼロに近いかどうかを少なくとも部分的に判定することができる。図２に示す例において、相互インダクタンスＭ_ＱＱは、反強磁性であり、相互インダクタンスＭ_ＱＱは、相互インダクタンスＭ_ＡＦＭを増加し、これによって、超伝導デバイス２０２及び２０４の反強磁性（ＡＦＭ）結合を増加する。即ち、相互インダクタンスＭ_ＱＱがＡＦＭである場合、結合デバイス２０６によって与えられる媒介結合を増加することによって、相互インダクタンスＭ_ＱＱは、相互インダクタンスＭ_ＡＦＭを増加することができ、これによって、全相互インダクタンスを増加する。

本出願は、超伝導デバイス２０２の一部が超伝導デバイス２０４の一部の上に横たわって結合を与える成形領域２１６に適合可能なレイアウトの説明を含む。例えば、図２の配置用に適している図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂ、及び図８Ｃに示す交差領域のレイアウトを参照せよ。迂回経路を有する成形領域２１６の他のレイアウトを同様に使用してもよい。例えば、製造中に超伝導ループ２０８及び２１２の選択的調整によって、幾つかの実装形態において、有利なことに、超伝導回路に対する空間の不利益を受けることなく、超伝導デバイス２０２及び２０４の直接連通可能結合の大きさを制御することができる。

本システム及び方法は、より一般的に、連通可能結合超伝導デバイスに当てはまり、各超伝導デバイスは、超伝導材料のループを含む。本システム及び方法は、製造中に調節可能な超伝導デバイスの間の直接誘導結合を超伝導デバイスの間の同調誘導結合に与えてもよい。

図３は、別の例示的な媒介及び直接結合レイアウト３００の略図である。例示的なレイアウト３００は、結合デバイス３０６によって互いに連通可能に結合される１対の超伝導デバイス３０２及び３０４を含む。超伝導デバイス３０２及び３０４の交差形状をより明確に説明するために、超伝導デバイス３０２を実線で描く一方、超伝導デバイス３０４を点線で描く。

超伝導デバイス３０２は、ジョセフソン接合部３１０によって遮断される超伝導ループ３０８を含む。超伝導デバイス３０４は、ジョセフソン接合部３１４によって遮断される超伝導ループ３１２を含む。

超伝導ループの一部の１８０°の面外回転によって位相的に形成された超伝導ループは、本出願で、クロスオーバーを有する超伝導ループと呼ばれる。クロスオーバーの一方の側で超伝導ループを通る電流は、ループの周りで時計回り方向に流れ、クロスオーバーの他方の側で超伝導ループを通る電流は、ループの周りで反時計回り方向に流れる。互いにクロスオーバーする超伝導ループの２つのセグメントを、クロスオーバーで互いに直流的に絶縁する。超伝導ループは、１つを超えるクロスオーバーを含んでもよく、例えば、超伝導ループ３０８は、２つのクロスオーバー３１６及び３１８を含む。

交差領域３２０又は交差領域３２０の近傍における図３の超伝導デバイス３０２及び３０４の交差形状は、それぞれ超伝導デバイス３０２及び３０４の超伝導ループ３０８及び３１２の間に直接結合Ｍ_ＱＱを生成することができる。明確にするために、交差領域３２０を、成形領域として図３に示す。

交差領域３２０で超伝導ループ３０８の区域を含む平面に垂直なベクトルは、ｉ）交差領域３２０の外側で超伝導ループ３０８の区域を含む平面に垂直なベクトル、及びｉｉ）超伝導デバイス３０４の超伝導ループ３１２の区域を含む平面に垂直なベクトルの両方に対して実質的に反対の向きを有する。別のベクトルに対する１つのベクトルの実質的に反対の向きは、２つのベクトルの間の１８０°±１０°の向きを意味する。

超伝導デバイス３０２の超伝導ループ３０８の一部は、超伝導ループ３０８の一部が超伝導デバイス３０４の超伝導ループ３１２の一部と実質的に平行であるようにする湾曲部３２２を有する。超伝導ループ３０８及び３１２の一部が互いに平行に走る場合、超伝導ループ３０８及び３１２の一部は、互いの上に横たわる、及び／又は互いに隣接することができる。幾つかの実装形態において、超伝導ループ３０８及び３１２は、多層超伝導集積回路の別々の層でトレースを定義する。超伝導ループ３０８及び３１２のトレースは、互いの上に横たわる、及び／又は互いに隣接してもよく、例えば、電気絶縁層（例えば、誘電材料の層）によって分離されてもよい。超伝導ループ３０８及び３１２の一部の横たわり及び／又は隣接は、相互インダクタンスを生成することができ、相互インダクタンスは、超伝導デバイス３０２及び３０４の間に直接誘導連通可能結合を与えることができる。

超伝導ループ３１２における励磁電流３２４は、超伝導ループ３０８に電流３２６を誘導することができる。

超伝導ループ３０８におけるクロスオーバー３１６及び３１８の存在により、交差領域３２０で反時計回り方向に流れる電流は、（誘導によって）交差領域３２０の外側の超伝導ループ３０８の一部で時計回り方向に流れるようにすることができる。交差領域３２０の外側の超伝導ループ３０８の一部は、本出願で、超伝導デバイス３０２の本体とも呼ばれる。相互インダクタンスＭ_ＱＱは、相互インダクタンスＭ_ＡＦＭを増加し、これによって、超伝導デバイス３０２及び３０４のＡＦＭ結合を増加することができる。

本出願は、超伝導デバイス３０２の一部が超伝導デバイス３０４の一部の上に横たわって結合を与える交差領域３２０に適合可能なレイアウトの説明を含む。例えば、図３の媒介及び直接結合レイアウト３００用に適している図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂ、及び図８Ｃに示す交差領域のレイアウトを参照せよ。迂回経路を有する交差領域３２０の他のレイアウトを同様に使用してもよい。例えば、製造中に超伝導ループ３０８及び３１２の選択的調整によって、幾つかの実装形態において、有利なことに、超伝導回路に対する空間の不利益を受けることなく、超伝導デバイス３０２及び３０４の直接連通可能結合の大きさを制御することができる。

図４は、別の例示的なレイアウト４００の略図である。レイアウト４００は、結合デバイス４０６によって互いに連通可能に結合される１対の超伝導デバイス４０２及び４０４を含む。超伝導デバイス４０２及び４０４の交差形状をより明確に説明するために、超伝導デバイス４０２を実線で描く一方、超伝導デバイス４０４を点線で描く。

超伝導デバイス４０２は、ジョセフソン接合部４１０によって遮断される超伝導ループ４０８を含む。超伝導デバイス４０４は、ジョセフソン接合部４１４によって遮断される超伝導ループ４１２を含む。超伝導ループ４０８は、クロスオーバー４１６及び４１８を含む。

交差領域４２０又は交差領域４２０の近傍における図４の超伝導デバイス４０２及び４０４の交差形状は、それぞれ超伝導デバイス４０２及び４０４の超伝導ループ４０８及び４１２の間に直接結合Ｍ_ＱＱを生成することができる。明確にするために、交差領域４２０を、成形領域として図４に示す。

交差領域４２０で超伝導ループ４０８の区域を含む平面に垂直なベクトルは、ｉ）交差領域４２０の外側で超伝導ループ４０８の区域を含む平面に垂直なベクトル、及びｉｉ）超伝導デバイス４０４の超伝導ループ４１２の区域を含む平面に垂直なベクトルの両方に対して実質的に反対の向きを有する。

超伝導デバイス４０２の超伝導ループ４０８の２つの部分の各々は、超伝導ループ４０８の各湾曲部分４２２及び４２４が超伝導デバイス４０４の超伝導ループ４１２の一部と実質的に平行であるようにする各湾曲部を有する。超伝導ループ４０８及び４１２の一部が互いに平行に走る場合、超伝導ループ４０８及び４１２の一部は、互いの上に横たわる、及び／又は互いに隣接することができる。幾つかの実装形態において、超伝導ループ４０８及び４１２は、多層超伝導集積回路の別々の層でトレースを定義する。超伝導ループ４０８及び４１２のトレースは、互いの上に横たわる、及び／又は互いに隣接してもよく、例えば、電気絶縁層（例えば、誘電材料の層）によって分離されてもよい。超伝導ループ４０８及び４１２の一部の横たわり及び／又は隣接は、相互インダクタンスを生成することができ、相互インダクタンスは、超伝導デバイス４０２及び４０４の間に直接誘導連通可能結合を与えることができる。

超伝導ループ４１２における励磁電流４２６は、超伝導ループ４０８に電流４２８を誘導することができる。

超伝導ループ４０８におけるクロスオーバー４１６及び４１８の存在により、交差領域４２０で反時計回り方向に流れる電流は、交差領域４２０の外側の超伝導ループ４０８の一部（本出願で、超伝導デバイス４０２の本体とも呼ばれる）で時計回り方向に流れるようにする。相互インダクタンスＭ_ＱＱは、相互インダクタンスＭ_ＡＦＭを増加し、これによって、超伝導デバイス４０２及び４０４のＡＦＭ結合を増加することができる。

それぞれ図３及び図４のレイアウト３００及び４００の場合、超伝導ループ又はトレースが互いの上に横たわる及び／又は互いに隣接する長さを増加することによって、相互インダクタンスを増加してもよい。媒介結合（例えば、図３の結合デバイス３０６による）と組み合わせた２つの連通可能結合超伝導デバイス（例えば、図３の超伝導デバイス３０２及び３０４）の本体の間に生成される直接結合は、強磁性、反強磁性、又は実質的にゼロに等しい超伝導デバイスの間の連通可能結合になることがある。例えば、媒介結合及び直接結合が互いに打ち消し合う場合、ゼロ結合が生じることがある。

本出願は、超伝導デバイス４０２の一部が超伝導デバイス４０４の一部の上に横たわって結合を与える交差領域４２０に適合可能なレイアウトの説明を含む。例えば、図４のレイアウト４００用に適している図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂ、及び図８Ｃに示す交差領域のレイアウトを参照せよ。迂回経路を有する交差領域４２０の他のレイアウトを同様に使用してもよい。例えば、製造中に超伝導ループ４０８及び４１２の選択的調整によって、幾つかの実装形態において、有利なことに、超伝導回路に対する空間の不利益を受けることなく、超伝導デバイス４０２及び４０４の直接連通可能結合の大きさを制御することができる。

図５は、別の例示的なレイアウト５００の略図である。レイアウト５００は、結合デバイス５０６によって互いに連通可能に結合される１対の超伝導デバイス５０２及び５０４を含む。超伝導デバイス５０２及び５０４の交差形状をより明確に説明するために、超伝導デバイス５０２を実線で描く一方、超伝導デバイス５０４を点線で描く。

超伝導デバイス５０２は、ジョセフソン接合部５１０によって遮断される超伝導ループ５０８を含む。超伝導デバイス５０４は、ジョセフソン接合部５１４によって遮断される超伝導ループ５１２を含む。

交差領域５１６又は交差領域５１６の近傍における図５の超伝導デバイス５０２及び５０４の交差形状は、それぞれ超伝導デバイス５０２及び５０４の超伝導ループ５０８及び５１２の間に直接結合Ｍ_ＱＱを生成することができる。明確にするために、交差領域５１６を、成形領域として図５に示す。

超伝導デバイス５０２の超伝導ループ５０８の２つの部分の各々は、超伝導ループ５０８の各湾曲部分５１８及び５２０が超伝導デバイス５０４の超伝導ループ５１２の一部と実質的に平行であるようにする各外向き湾曲部（外向きを、ループの中心から離れた湾曲部として定義する）を有する。超伝導ループ５０８及び５１２の一部が互いに平行に走る（又は、少なくとも非直交である）場合、超伝導ループ５０８及び５１２の一部は、互いの上に横たわる、及び／又は互いに隣接することができる。幾つかの実装形態において、超伝導ループ５０８及び５１２は、多層超伝導集積回路の別々の層でトレースを定義する。超伝導ループ５０８及び５１２のトレースは、互いの上に横たわる、及び／又は互いに隣接してもよく、例えば、電気絶縁層（例えば、誘電材料の層）によって分離されてもよい。超伝導ループ５０８及び５１２の一部の横たわり及び／又は隣接は、相互インダクタンスを生成することができ、相互インダクタンスは、超伝導デバイス５０２及び５０４の間に直接誘導連通可能結合を与えることができる。

超伝導ループ５１２における励磁電流５２２は、超伝導ループ５０８に電流５２４を誘導することができる。

超伝導ループ５０８におけるクロスオーバー（例えば、図４の超伝導ループ４０８におけるクロスオーバー４１６及び４１８など）が超伝導ループ５０８に無いと、電流が、交差領域５１６で反時計回り方向に流れ、交差領域５１６の外側の超伝導ループ５０８の一部（本出願で、超伝導デバイス５０２の本体とも呼ばれる）で反時計回り方向に流れるシナリオになることができる。相互インダクタンスＭ_ＱＱは、強磁性（ＦＭ）結合を引き起こすことができ、相互インダクタンスＭ_ＡＦＭから引くことができ、これによって、超伝導デバイス５０２及び５０４のＡＦＭ結合（例えば、結合デバイス５０６によって媒介されるＡＦＭ結合）を減少することができる。

成形交差領域５１６で超伝導ループ５０８の区域を含む平面に垂直なベクトルは、ｉ）超伝導デバイス５０２の残りの超伝導ループ５０８の区域に垂直なベクトル、及びｉｉ）超伝導デバイス５０４の超伝導ループ５１２の区域に垂直なベクトルの両方と実質的に同じ向きを有する。

幾つかの実装形態において、超伝導デバイス５０２及び５０４は、超伝導量子ビット（例えば、超伝導磁束量子ビット）である。

本出願は、超伝導デバイス５０２の一部が超伝導デバイス５０４の一部の上に横たわって結合を与える交差領域５１６に適合可能なレイアウトの説明を含む。例えば、図５のレイアウト５００用に適している図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂ、及び図８Ｃに示す交差領域のレイアウトを参照せよ。迂回経路を有する交差領域５１６の他のレイアウトを同様に使用してもよい。例えば、製造中に超伝導ループ５０８及び５１２の選択的調整によって、幾つかの実装形態において、有利なことに、超伝導回路に対する空間の不利益を受けることなく、超伝導デバイス５０２及び５０４の直接連通可能結合の大きさを制御することができる。

図６Ａは、本システム及び方法による、各超伝導デバイスの各ループが交差領域に内向き湾曲部を有する、互いに連通可能に結合される１対の超伝導デバイス６０２及び６０４の例示的なレイアウト６００の略図である。

レイアウト６００は、１対の超伝導デバイス６０２及び６０４を含む。超伝導デバイス６０２は、ジョセフソン接合部６０８によって遮断される超伝導ループ６０６を含む。超伝導デバイス６０４は、ジョセフソン接合部６１２によって遮断される超伝導ループ６１０を含む。超伝導ループ６０６及び／又は超伝導ループ６１０は、各ジョセフソン接合部によって遮断されてもよく又は遮断されなくてもよい。超伝導デバイス６０２及び／又は６０４は、図６Ａに示さない他の要素を含んでもよい。超伝導デバイス６０２及び／又は６０４は、超伝導量子ビット（例えば、超伝導磁束量子ビット）であってもよい。

図６Ａを参照して説明された結合は、直接誘導結合であるけれども（即ち、介在結合デバイスを有しない）、代わりに、更に、又は任意選択的に、超伝導デバイス６０２及び６０４を、少なくとも１つの介在結合デバイスを介して流電結合及び／又は媒介結合によって結合してもよい。同じことが、それぞれ図７Ａ及び図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃ、図１０、及び図１１のデバイス７０２及び７０４、８０２及び８０４、９０２及び９０４、及び１００２及び１００４にも当てはまる。

超伝導デバイス６０２及び６０４の各々は、それぞれ内向き湾曲部６１４及び６１６（本出願で、各内向き湾曲部を、各ループの中心に向かう湾曲部として定義する）を有する。内向き湾曲部６１４及び６１６を、超伝導デバイス６０２及び６０４が互いに交差する場所又はこの場所の近くで交差領域６１８に設置する。内向き湾曲部６１４及び６１６は、超伝導デバイス６０２の超伝導ループ６０６の一部が、レイアウト６００の領域６２０、６２２、６２４、及び６２６において超伝導デバイス６０４の超伝導ループ６１０の一部と実質的に平行（又は、少なくとも非直交）であるようにする。

超伝導ループ６０６及び６１０の一部が互いに平行に走る（又は、少なくとも非直交である）場合、超伝導ループ６０６及び６１０の一部は、互いの上に横たわる、及び／又は互いに隣接することができる。幾つかの実装形態において、超伝導ループ６０６及び６１０は、多層超伝導集積回路の別々の層でトレースを定義する。超伝導ループ６０６及び６１０のトレースは、互いの上に横たわる、及び／又は互いに隣接してもよく、例えば、電気絶縁層（例えば、誘電材料の層）によって分離されてもよい。超伝導ループ６０６及び６１０の一部の横たわり及び／又は隣接は、相互インダクタンスを生成することができ、相互インダクタンスは、超伝導デバイス６０２及び６０４の間に直接誘導連通可能結合を与えることができる。本出願で、超伝導ループの一部の上に横たわり、相互インダクタンス及び直接誘導連通可能結合を生成することを説明する場合、実装形態は、超伝導ループの一部の上に横たわること、及び／又は、超伝導ループの一部を配置し、互いに隣接し、相互インダクタンス及び直接誘導連通可能結合を生成することを含むことができることが、当業者は分かる。

超伝導ループ６１０で方向６２８に流れる励磁電流は、超伝導ループ６０６で方向６３０に流れる電流を誘導することができる。

図６Ｂは、本システム及び方法による、図６Ａのレイアウト６００の交差領域６１８の実装形態の例の略図である。交差領域６１８は、図６Ａの超伝導デバイス６０２及び６０４の超伝導ループ６０６及び６１０が互いに交差する領域を含む。

超伝導ループ６０６及び６１０は、重複し（例えば、多層超伝導集積回路で互いの上に横たわる）、各領域６３２、６３４、６３６及び６３８で互いに平行に走る（又は、少なくとも非直交である）。

図６Ｂは、平面図でレイアウト６００のレイアウトの例を示す。幾つかの実装形態において、超伝導ループ６０６及び６１０に対して異なる層を用いて、レイアウト６００を、多層超伝導集積回路で製造する。幾つかの実装形態において、層を、超伝導金属を用いて製造し、絶縁層（例えば、誘電材料の層）によって分離する。幾つかの実装形態において、超伝導ループ６０６及び６１０は、ニオブを含む。幾つかの実装形態において、超伝導ループ６０６及び６１０は、アルミニウム及び／又は別の適切な超伝導材料を含む。幾つかの実装形態において、絶縁層は、二酸化ケイ素を含む。

超伝導ループ６０６及び６１０は、超伝導線のループであってもよい。超伝導線は、領域６３２、６３４、６３６及び６３８で互いの上に横たわってもよく、超伝導デバイス６０２及び６０４の直接連通可能結合を与えてもよい。レイアウト６００の製造は、超伝導線を調整して所望の湾曲及び重複（即ち、線が互いの上に横たわる程度）を達成する方法を含むことができる。例えば、図６Ｂにおいて、超伝導ループ６０６の左側の脚の領域６４０、６４２及び６４４は、図６Ａの内向き湾曲部６１６を生成するように調整されている。

超伝導集積回路における超伝導ループ（例えば、レイアウト６００の多層超伝導集積回路の超伝導ループ６０６）は、超伝導材料の１つ又は複数のトレースを含むことができる。各トレース（本出願で、超伝導トレースとも呼ばれる）は、各厚さ及び各幅を有する。超伝導トレースの長さは、電流が流れることができる経路の長さである。幅を、長さに沿った任意の所与の点における超伝導トレースの対向外側エッジの間の垂直距離として定義する。幅は、多層集積回路の層の平面で測定される距離である。厚さを、超伝導トレースの長さ及び幅に垂直であるとして定義する。厚さは、積み重ね方向（即ち、層の平面に直交）に測定される距離である。

本出願で、領域の外側よりも領域内の狭い超伝導ループの一部への説明は、領域の外側よりも領域内の小さい幅を有する超伝導ループの一部のトレースを意味する。より狭いトレースは、同じ長さのより広いトレースよりも集積回路上の小さい表面積を占める。

幾つかの実装形態（例えば、図６Ｂに例示の実装形態）において、各超伝導ループ６０６及び６１０の少なくとも一部は、交差領域６１８の外側よりも交差領域６１８の内側で狭い。即ち、交差領域６１８の内側の各超伝導ループ６０６及び６１０の各幅は、交差領域６１８の外側の各超伝導ループ６０６及び６１０の各幅よりも狭い。

レイアウト６００の製造は、交差領域６１８の内側で超伝導ループ６０６及び６１０の超伝導トレース用の迂回経路を生成することを含むことができる。迂回経路は、最も直接的な道（例えば、最も短い線）よりも長いルートをとる２つの点の間の経路である。迂回経路は、１つ又は複数の方向転換又は変更を含んでもよい。例えば、２つの点の間の迂回経路は、順々に直角左折、直角右折、別の直角右折、及び別の直角左折によって妨げられる２つの点の間の直線経路を含んでもよく、各転換の後に、適切な長さの直線経路が続く。図６Ｂにおいて、例えば、交差領域６１８を通る超伝導ループ６０６の超伝導トレースの経路は、電流６３０の方向に進む４つの方向変更を行い、経路は、直角右折、直角左折、別の直角左折、及び別の直角右折を行う。

交差領域６１８における超伝導ループ６０６の超伝導トレースの迂回経路は、交差領域６１８における超伝導ループ６１０の超伝導トレースの迂回経路と一致してもよい。

例えば、製造中に超伝導ループ６０６及び６１０の選択的調整によって、超伝導デバイス６０２及び６０４の直接連通可能結合の大きさを制御することができる。例えば、超伝導回路に対する空間の不利益を受けることなく、選択的調整によって交差領域６１８における超伝導ループ６０６及び６１０の超伝導線の幅を調節することを達成することができる。製造中の超伝導線の選択的調整は、単に離散値ではなく、連続範囲にわたって、超伝導デバイス６０２及び６０４の直接連通可能結合の大きさの調節可能同調を行うことができる。１つの実装形態において、２つの超伝導デバイスの間の直接連通可能結合の大きさは、超伝導トレースを選択的に調整し、適切な迂回経路をたどるように超伝導トレースを構成することによって、０から媒介結合の大きさの２倍の範囲にわたって調節可能である。超伝導トレースの調整により、トレースの幅が減少する。１つの実装形態において、超伝導トレースを、２μｍの幅から０．５μｍの幅に選択的に調整する。

媒介結合を、図６Ａ及び図６Ｂに示さない。媒介結合を、結合デバイス（例えば、図５の結合デバイス５０６）によって図６Ａ及び図６Ｂのレイアウト６００と組み合わせて実施することができる。

幾つかの実装形態において、超伝導デバイス６０２及び６０４の直接連通可能結合の大きさを制御することは、超伝導デバイス６０２及び６０４の間の連通可能結合の目標の大きさを判定することと、媒介連通可能結合の大きさと目標の大きさとの間の差を判定することと、媒介結合の大きさと目標の大きさとの間の差に少なくとも部分的に基づいて調整許容範囲を判定することと、交差領域６１８で超伝導ループ６０６及び６１０の超伝導トレースの幅を調整することとを含む。

上述のように、レイアウト６００の製造は、超伝導トレースを調整して所望の湾曲及び重複（即ち、線が互いの上に横たわる程度）を達成する方法を含むことができる。例えば、図６Ｂにおいて、超伝導ループ６０６の領域６４２は、調整許容範囲６４６だけ調整されている。

図７Ａは、本システム及び方法による、各超伝導デバイスの各ループが交差領域に外向き湾曲部を有する、互いに連通可能に結合される１対の超伝導デバイス７０２及び７０４の別の例示的なレイアウト７００の略図である。

レイアウト７００は、１対の超伝導デバイス７０２及び７０４を含む。超伝導デバイス７０２は、ジョセフソン接合部７０８によって遮断される超伝導ループ７０６を含む。超伝導デバイス７０４は、ジョセフソン接合部７１２によって遮断される超伝導ループ７１０を含む。

超伝導デバイス７０２及び７０４の各々は、それぞれ外向き湾曲部７１４及び７１６（本出願で、各外向き湾曲部を、各超伝導ループの中心から離れた湾曲部として定義する）を有する。外向き湾曲部７１４及び７１６を、超伝導デバイス７０２及び７０４が互いに交差する場所又はこの場所の近くで交差領域７１８に設置する。外向き湾曲部７１４及び７１６は、超伝導デバイス７０２の超伝導ループ７０６の一部が、レイアウト７００の領域７２０、７２２、７２４、及び７２６において超伝導デバイス７０４の超伝導ループ７１０の一部と実質的に平行（又は、少なくとも非直交）であるようにする。

超伝導ループ７０６及び７１０の一部が互いに平行に走る（又は、少なくとも非直交である）場合、超伝導ループ７０６及び７１０の一部は、互いの上に横たわる、及び／又は互いに隣接することができる。幾つかの実装形態において、超伝導ループ７０６及び７１０は、多層超伝導集積回路の別々の層でトレースを定義する。超伝導ループ７０６及び７１０のトレースは、互いの上に横たわる、及び／又は互いに隣接してもよく、例えば、電気絶縁層（例えば、誘電材料の層）によって分離されてもよい。超伝導ループ７０６及び７１０の一部の横たわり及び／又は隣接は、相互インダクタンスを生成することができ、相互インダクタンスは、超伝導デバイス７０２及び７０４の間に直接誘導連通可能結合を与えることができる。

超伝導ループ７１０で方向７２８に流れる励磁電流は、超伝導ループ７０６で方向７３０に流れる電流を誘導することができる。

図７Ｂは、本システム及び方法による、図７Ａのレイアウト７００の交差領域７１８の実装形態の例の略図である。交差領域７１８は、図７Ａの超伝導デバイス７０２及び７０４の超伝導ループ７０６及び７１０が互いに交差する領域を含む。

超伝導ループ７０６及び７１０は、重複し（例えば、多層超伝導集積回路で互いの上に横たわる）、各領域７３２、７３４、７３６及び７３８で互いに平行に走る（又は、少なくとも非直交である）。

図７Ｂは、平面図でレイアウト７００のレイアウトの例を示す。幾つかの実装形態において、超伝導ループ７０６及び７１０に対して異なる層を用いて、レイアウト７００を、多層超伝導集積回路で製造する。幾つかの実装形態において、層を、超伝導金属を用いて製造し、絶縁層（例えば、誘電材料の層）によって分離する。幾つかの実装形態において、超伝導ループ７０６及び７１０は、ニオブを含む。幾つかの実装形態において、超伝導ループ７０６及び７１０は、アルミニウム及び／又は別の適切な超伝導材料を含む。幾つかの実装形態において、絶縁層は、二酸化ケイ素を含む。

超伝導ループ７０６及び７１０は、超伝導線のループであってもよい。超伝導線は、領域７３２、７３４、７３６及び７３８で互いの上に横たわってもよく、超伝導デバイス７０２及び７０４の直接連通可能結合を与えてもよい。レイアウト７００の製造は、超伝導線を調整して所望の湾曲及び重複（即ち、線が互いの上に横たわる程度）を達成する方法を含むことができる。例えば、図７Ｂにおいて、超伝導ループ７０６の右側の脚の領域７４０、７４２及び７４４は、図７Ａの外向き湾曲部７１６を生成するように調整されている。

レイアウト７００の製造は、交差領域７１８の内側で超伝導ループ７０６及び７１０の超伝導トレース用の迂回経路を生成することを含むことができる。

例えば、製造中に超伝導ループ７０６及び７１０の選択的調整によって、超伝導デバイス７０２及び７０４の直接連通可能結合の大きさを制御することができる。例えば、超伝導回路に対する空間の不利益を受けることなく、選択的調整によって交差領域７１８における超伝導ループ７０６及び７１０の超伝導線の幅を調節することを達成することができる。超伝導線の選択的調整は、単に離散値ではなく、連続範囲にわたって、超伝導デバイス７０２及び７０４の直接連通可能結合の大きさの調節可能同調を行うことができる。１つの実装形態において、２つの超伝導デバイスの間の直接連通可能結合の大きさは、超伝導トレースを選択的に調整し、適切な迂回経路をたどるように超伝導トレースを構成することによって、０から媒介結合の大きさの２倍の範囲にわたって調節可能である。１つの実装形態において、超伝導トレースを、２μｍの幅から０．５μｍの幅に選択的に調整する。

超伝導トレースの選択的調整を、適切な調整幅エッチング工程によって達成してもよい。調整幅エッチング工程は、例えば、超伝導材料の層の上に第１の硬質マスク層を付着させることと、第１の硬質マスク層の上に第２の硬質マスク層を付着させることと、第２の硬質マスク層の上にフォトレジスト層を付着させることと、フォトレジスト層にパターンを形成することと、パターンを第２の硬質マスク層に転写することと、第２の硬質マスク層の上のフォトレジスト層で第２の硬質マスク層を調整することとを含んでもよい。調整幅エッチング中に、フォトレジストによって、第２の硬質マスク層の上面を保護し、上に横たわる第１の硬質マスク層によって、基板を保護する。

所望の幅を有する超伝導トレースの製造を、超伝導材料の付着によって達成してもよい。

媒介結合を、図７Ａ及び図７Ｂに示さない。媒介結合を、結合デバイス（例えば、図５の結合デバイス５０６）によって図７Ａ及び図７Ｂのレイアウト７００と組み合わせて実施することができる。

図８Ａは、本システム及び方法による、各超伝導デバイスの各ループが交差領域に多数の湾曲部を有する、互いに連通可能に結合される１対の超伝導デバイス８０２及び８０４の別の例示的なレイアウト８００の略図である。

レイアウト８００は、１対の超伝導デバイス８０２及び８０４を含む。超伝導デバイス８０２は、ジョセフソン接合部８０８によって遮断される超伝導ループ８０６を含む。超伝導デバイス８０４は、ジョセフソン接合部８１２によって遮断される超伝導ループ８１０を含む。超伝導デバイス８０２及び８０４は、交差領域８１４（図８Ａに斜線で示す）で互いに交差する。

超伝導ループ８１０で方向８１６に流れる励磁電流は、超伝導ループ８０６に電流（図８Ａに示さない）を誘導することができる。

図８Ｂは、本システム及び方法による、図８Ａのレイアウト８００の交差領域８１４の実装形態の例の略図である。交差領域８１４は、図８Ａの超伝導デバイス８０２及び８０４の超伝導ループ８０６及び８１０が互いに交差する領域を含む。

超伝導ループ８０６及び８１０は、重複し（例えば、多層超伝導集積回路で互いの上に横たわる）、各領域８２０、８２２、８２４及び８２６で互いに平行に走る（又は、少なくとも非直交である）。

図８Ｂは、平面図でレイアウト８００のレイアウトの例を示す。幾つかの実装形態において、超伝導ループ８０６及び８１０に対して異なる層を用いて、レイアウト８００を、多層超伝導集積回路で製造する。幾つかの実装形態において、層を、超伝導金属を用いて製造し、誘電材料の絶縁層によって分離する。幾つかの実装形態において、超伝導ループ８０６及び８１０は、ニオブを含む。幾つかの実装形態において、超伝導ループ８０６及び８１０は、アルミニウム及び／又は別の適切な超伝導材料を含む。幾つかの実装形態において、絶縁層は、二酸化ケイ素を含む。

超伝導ループ８０６及び８１０は、超伝導線のループであってもよい。超伝導線は、領域８２０、８２２、８２４及び８２６で互いの上に横たわってもよく、超伝導デバイス８０２及び８０４の直接連通可能結合を与えてもよい。レイアウト８００の製造は、超伝導線を調整して所望の湾曲及び重複（即ち、線が互いの上に横たわる程度）を達成する方法を含むことができる。例えば、図８Ｂにおいて、超伝導ループ８０６の右側の脚の領域８２８、８３０、８３２、８３４、８３６及び８３８は、交差領域８１４を通る迂回経路を生成するように調整されている。

レイアウト８００の製造は、交差領域８１４の内側で超伝導ループ８０６及び８１０の超伝導トレース用の迂回経路を生成することを含むことができる。

例えば、製造中に超伝導ループ８０６及び８１０の選択的調整によって、超伝導デバイス８０２及び８０４の直接連通可能結合の大きさを制御することができる。例えば、超伝導回路に対する空間の不利益を受けることなく、選択的調整によって交差領域８１４における超伝導ループ８０６及び８１０の超伝導線の幅を調節することを達成することができる。超伝導線の選択的調整は、単に離散値ではなく、連続範囲にわたって、超伝導デバイス８０２及び８０４の直接連通可能結合の大きさの調節可能同調（製造中）を行うことができる。前の手法で直接結合の大きさを変更するために、一般的に、集積回路のレイアウト、及び／又は集積回路が占める面積を変更する必要がある。これらの変更は典型的に、直接結合の大きさを離散値に制約することになる。

１つの実装形態において、２つの超伝導デバイスの間の直接連通可能結合の大きさは、超伝導トレースを選択的に調整し、適切な迂回経路をたどるように超伝導トレースを構成することによって、０から媒介結合の大きさの２倍の範囲にわたって調節可能である。１つの実装形態において、超伝導トレースを、２μｍの幅から０．５μｍの幅に選択的に調整する。

図８Ｃは、本システム及び方法による、図８Ａのレイアウト８００の交差領域８１４の実装形態の別の例の略図である。交差領域８１４は、図８Ａの超伝導デバイス８０２及び８０４の超伝導ループ８０６及び８１０が互いに交差する領域を含む。誘導電流８４０は、超伝導ループ８０６で矢印に示す方向に流れ、励磁電流８１６は、超伝導ループ８１０で矢印に示す方向に流れる。

超伝導ループ８０６及び８１０は、重複し（例えば、多層超伝導集積回路で互いの上に横たわる）、各領域８４２、８４４、８４６及び８４８で互いに平行に走る（又は、少なくとも非直交である）。

図８Ｃは、平面図でレイアウト８００のレイアウトの例を示す。幾つかの実装形態において、超伝導ループ８０６及び８１０に対して異なる層を用いて、レイアウト８００を、多層超伝導集積回路で製造する。幾つかの実装形態において、層を、超伝導金属を用いて製造し、介在層によって分離する。幾つかの実装形態において、介在層は、誘電材料の絶縁層を含む。幾つかの実装形態において、超伝導ループ８０６及び８１０は、ニオブを含む。幾つかの実装形態において、超伝導ループ８０６及び８１０は、アルミニウム及び／又は別の適切な超伝導材料を含む。幾つかの実装形態において、絶縁層は、二酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素を含む。幾つかの実装形態において、集積回路エアブリッジは、超伝導ループ８０６及び８１０を絶縁する。犠牲材料の上に付着及びパターン化された金属の層を用いて、典型的なエアブリッジを形成することができる。その後、犠牲材料を除去し、誘電体（例えば、二酸化ケイ素）ではなく、流体（例えば、空気）によって他の金属トレース又は特性から少なくとも部分的に絶縁された金属トレースを残すことができる。

超伝導ループ８０６及び８１０は、超伝導線のループであってもよい。超伝導線は、領域８４２、８４４、８４６及び８４８で互いの上に横たわってもよく、超伝導デバイス８０２及び８０４の直接連通可能結合を与えてもよい。レイアウト８００の製造は、超伝導線を調整して所望の湾曲及び重複（即ち、線が互いの上に横たわる程度）を達成する方法を含むことができる。例えば、図８Ｂにおいて、超伝導ループ８０６の右側の脚の領域８５０、８５２及び８５４は、交差領域８１４を通る迂回経路を生成するように調整されている。

レイアウト８００の製造は、交差領域８１４の内側で超伝導ループ８０６及び８１０の超伝導トレース用の迂回経路を生成することを含むことができる。

例えば、製造中に超伝導ループ８０６及び８１０の選択的調整によって、超伝導デバイス８０２及び８０４の直接連通可能結合の大きさを制御することができる。例えば、超伝導回路に対する空間の不利益を受けることなく、選択的調整によって交差領域８１４における超伝導ループ８０６及び８１０の超伝導線の幅を調節することを達成することができる。超伝導線の選択的調整は、単に離散値ではなく、連続範囲にわたって、超伝導デバイス８０２及び８０４の直接連通可能結合の大きさの調節可能同調を行うことができる。１つの実装形態において、２つの超伝導デバイスの間の直接連通可能結合の大きさは、超伝導トレースを選択的に調整し、適切な迂回経路をたどるように超伝導トレースを構成することによって、０から媒介結合の大きさの２倍の範囲にわたって調節可能である。１つの実装形態において、超伝導トレースを、２μｍの幅から０．５μｍの幅に選択的に調整する。

媒介結合を、図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃに示さない。媒介結合を、結合デバイス（例えば、図５の結合デバイス５０６）によって図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃのレイアウト８００と組み合わせて実施することができる。

本出願のシステム及び方法の１つの利益は、製造誤差及び／又は整列不良に対するロバスト性の改善である。本出願のシステム及び方法の別の利益は、超伝導デバイス及び／又は超伝導集積回路上の他のデバイスによって使用されるスペースの量に影響を与えることなく、超伝導集積回路のレイアウト及び／又は製造中の超伝導デバイスの間の直接連通可能結合の同調性の改善である。

本出願のシステム及び方法の更に別の利益は、隣接デバイスに対するクロストークの低減である。本出願に記載の実装形態は、前の手法よりも小型、内蔵型、及び対称であり、その結果、隣接デバイスに対するクロストークが、殆どない又はない。

図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂ、及び図８Ｃに示す交差領域のレイアウトは、第１の超伝導デバイスの一部が第２の超伝導デバイスの一部の上に横たわって結合を与える場合、上述の配置の何れかで用いるのに適しており、迂回経路を有する交差領域の他のレイアウトを同様に使用することができるものとする。

図９は、本開示による例示的な超伝導量子プロセッサのトポロジー９００の略図である。例えば、量子アニーリング及び／又は断熱量子計算のために、トポロジー９００を有する超伝導量子プロセッサを使用してもよい。

上述の図１、図２、図３、図４、図５、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃ、及び後述の図１０及び図１１を参照して説明された結合レイアウトを、トポロジー９００を有する超伝導量子プロセッサで使用してもよい。更に、結合レイアウトを、別の適切なトポロジーを有する超伝導量子プロセッサ、及び／又は他の超伝導集積回路で使用してもよい。

トポロジー９００は、複数の量子ビット、例えば、量子ビット９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃ、及び９０２ｄ（総称して量子ビット９０２と呼ばれる）を含む。量子ビット９０２を、点として図９のトポロジー９００に示す。１つの実装形態において、量子ビット９０２の第１のサブセットの各量子ビットは、第１の方向に方向付けられたそれぞれの細長い超伝導ループを含み、第２のサブセットの各量子ビットは、第１の方向と少なくとも略直交する第２の方向に方向付けられたそれぞれの細長い超伝導ループを含む。

更に、トポロジー９００は、複数の結合デバイス、例えば、結合デバイス９０４ａ、９０４ｂ、及び９０４ｃ（総称して結合デバイス９０４と呼ばれる）を含む。結合デバイス９０４を、線として図９のトポロジー９００に示す。結合デバイス９０４は、量子ビット９０２の対の間に連通可能結合を与えることができる。

各量子ビット９０２は、長軸及び短軸を有するそれぞれの細長い超伝導ループを含む。量子ビットの向きを、長軸の方向として定義してもよい。

量子ビット９０２ａ及び９０２ｂを、互いに少なくとも略直交して方向付ける。即ち、それぞれの細長い超伝導ループの長軸を、互いに少なくとも略直交して方向付ける。結合デバイス９０４ａ（本出願で、内部結合デバイスとも呼ばれる）は、量子ビット９０２ａ及び９０２ｂの間に連通可能結合を与えることができる。図１、図２、図３、図４、図５、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃは、互いに少なくとも略直交して方向付けられ、図９のアーキテクチャで内部結合デバイスと呼ばれる媒介結合デバイスによって結合可能な超伝導デバイス（例えば、量子ビット）の例を含む。

量子ビット９０２ｂ及び９０２ｃを、互いに少なくとも略平行に方向付ける。即ち、各量子ビット９０２ｃ及び９０２ｄのそれぞれの細長い超伝導ループの長軸を、互いに少なくとも略平行に方向付ける。量子ビット９０２ｃ及び９０２ｄは、トポロジー９００で量子ビットの同じ行又は列にある。結合デバイス９０４ｂは、量子ビット９０２ｂ及び９０２ｃの間に連通可能結合を与えることができる。

量子ビット９０２ａ及び９０２ｄを、互いに少なくとも略平行に方向付ける。即ち、各量子ビット９０２ａ及び９０２ｄのそれぞれの細長い超伝導ループの長軸を、互いに少なくとも略平行に方向付ける。量子ビット９０２ａ及び９０２ｄは、トポロジー９００で量子ビットの互いに隣接する行又は列にある。結合デバイス９０４ｃは、量子ビット９０２ａ及び９０２ｄの間に連通可能結合を与えることができる。

トポロジー９００において、各量子ビットを、１２個の直交方向付け量子ビットに連通可能に結合することができ、１２個の直交方向付け量子ビットを含む合計１５個の量子ビットに連通可能に結合することができる。トポロジー９００における量子ビットの対の間の連通可能結合は、直接結合、及び／又は中間結合デバイスによる媒介結合を含むことができる。

図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃは、互いに直交して（少なくとも平行でない）走る超伝導デバイスの超伝導ループの少なくとも一部を有する超伝導デバイス（例えば、量子ビット）の対を説明する。超伝導ループは、各交差領域において投影で互いに交差する。交差領域で、超伝導ループの超伝導トレースの一部を、互いに平行に走る（又は、少なくとも非直交である）ように配置することができ、超伝導ループの対のうち１つに流れる電流が他方の超伝導ループに電流を誘導するように十分密に配置することができる（即ち、超伝導ループの超伝導トレースの一部を、互いに誘導的に近接するように配置することができる）。

他の実装形態において、超伝導デバイスの超伝導ループの長軸は、互いに平行に走る（又は、少なくとも非直交である）。これらの実装形態の一部において、ループを、少なくとも部分的に並列に配置し、これらの実装形態の残りにおいて、ループを、直列に配置する。超伝導ループの一部を、互いに誘導的に近接することができ、即ち、超伝導ループの対のうち１つに流れる電流が他方の超伝導ループに電流を誘導するように十分密に配置することができる。

図１０Ａは、本システム及び方法による、互いに直接連通可能に結合される１対の超伝導デバイス１００２及び１００４の別の例示的なレイアウト１０００の略図である。

各超伝導デバイス１００２及び１００４は、各超伝導ループ１００６及び１００８を含む。超伝導ループ１００２及び１００４を、直列に配置する。各超伝導ループ１００６及び１００８を、各ジョセフソン接合部１０１０及び１０１２によって遮断してもよい。超伝導デバイス１００２及び１００４は、超伝導量子ビット（例えば、超伝導磁束量子ビット）であってもよい。超伝導ループ１００６及び１００８は、互いに同じ層又は平面に、又は互いに異なる層又は平面に存在することができる。互いに直接誘導結合されるのに加えて、超伝導デバイス１００２及び１００４を、媒介結合デバイス（例えば、図９の結合デバイス９０４ｂ）によって連通可能に結合してもよい。明確にするために、媒介結合デバイスを図１０Ａに示さない。

レイアウト１０００は、会合領域１０１４を含む。会合領域１０１４は、図１０Ａの超伝導デバイス１００２及び１００４の超伝導ループ１００６及び１００８の一部が互いに誘導的に近接する集積回路の領域である。本出願で、２つの超伝導デバイスを、互いに対して適切に方向付け、十分密に配置して、２つの超伝導デバイスのうち第１の超伝導デバイスを、電流が第１の超伝導デバイスの超伝導ループに流れる場合に２つの超伝導デバイスのうち第２の超伝導デバイスに直接誘導連通可能結合するようにする場合、２つの超伝導デバイスは、互いに誘導的に近接する。

超伝導デバイス１００２及び１００４を、会合領域１０１４で互いに直接誘導連通可能結合することができる。例えば、超伝導ループ１００６に流れる励磁電流は、超伝導ループ１００８に流れる電流を誘導することができる。

超伝導ループ１００６及び１００８の一部は、互いに平行に走り（又は、少なくとも非直交）、会合領域１０１４で互いに誘導的に近接する。

超伝導集積回路の同じ層で製造された超伝導ループ１００６及び１００８を用いて、図１０のレイアウト１０００を実施することができる。超伝導集積回路は、多層超伝導集積回路であってもよい。幾つかの実装形態において、層を、超伝導金属を用いて製造し、誘電材料の絶縁層によって分離する。超伝導ループ１００６及び１００８は、ニオブ、アルミニウム及び／又は別の適切な超伝導材料を含んでもよい。絶縁層は、二酸化ケイ素を含んでもよい。

超伝導ループ１００６及び１００８は、超伝導線のループであってもよい。超伝導線を、例えば、製造スタックにおける配線層で、１つ又は複数の超伝導トレースとして実装することができる。超伝導トレースを、相互接続線と呼ぶこともできる。超伝導トレースの幅を、相互接続線の線幅と呼ぶこともできる。

レイアウト１０００の製造は、超伝導トレースを調整して、トレースの少なくとも一部が、互いに誘導的に近接し、即ち、互いに平行に走り、又は少なくとも非直交であり、一方のトレースにおける電流の流れが他方のトレースにおける電流の流れを直接誘導するのに十分密になるようにする方法を含んでもよい。会合領域１０１４は、会合領域１０１４を通る超伝導ループ１００６及び１００８の一部のための迂回経路を生成するように付着及び／又は調整されているトレースを含んでもよい。

例えば、製造中に超伝導ループ１００６及び１００８の選択的付着及び／又は調整によって、超伝導デバイス１００２及び１００４の直接連通可能結合の大きさを制御することができる。例えば、超伝導回路に対する空間の不利益を受けることなく、選択的調整によって会合領域１０１４における超伝導ループ１００６及び１００８の超伝導トレースの幅を調節することを達成することができる。超伝導トレースの選択的調整は、単に離散値ではなく、連続範囲にわたって、超伝導デバイス１００２及び１００４の直接連通可能結合の大きさの調節可能同調を行うことができる。１つの実装形態において、２つの超伝導デバイスの間の直接連通可能結合の大きさは、超伝導トレースを選択的に調整し、適切な迂回経路をたどるように超伝導トレースを構成することによって、０から媒介結合の大きさの２倍の範囲にわたって調節可能である。１つの実装形態において、超伝導トレースを、２μｍの幅から０．５μｍの幅に選択的に調整する。

図１０Ｂは、本システム及び方法による、図１０Ａのレイアウト１０００の会合領域１０１４の実装形態の例の略図である。会合領域１０１４は、各超伝導ループ１００６及び１００８の超伝導トレースが各迂回経路をたどる領域１０１６を含む。

図１１は、本システム及び方法による、互いに直接連通可能に結合される１対の超伝導デバイス１１０２及び１１０４の別の例示的なレイアウト１１００の略図である。

各超伝導デバイス１１０２及び１１０４は、各超伝導ループ１１０６及び１１０８を含む。超伝導ループ１１０２及び１１０４を、少なくとも部分的に並列に配置する。各超伝導ループ１１０６及び１１０８を、各ジョセフソン接合部１１１０及び１１１２によって遮断してもよい。超伝導デバイス１１０２及び１１０４は、超伝導量子ビット（例えば、超伝導磁束量子ビット）であってもよい。超伝導デバイス１１０２及び１１０４を、媒介結合デバイス（例えば、図９の結合デバイス９０４のうち１つ）によって連通可能に結合してもよい。

図１１の超伝導デバイス１１０２及び１１０４の超伝導ループ１１０６及び１１０８の少なくとも一部は、会合領域１１１４で互いに誘導的に近接する。超伝導デバイス１１０２及び１１０４を、領域１１１０で互いに直接誘導連通可能結合することができる。例えば、超伝導ループ１１０６に流れる励磁電流は、誘導電流が超伝導ループ１１０８に流れるようにすることができる。

超伝導ループ１１０６及び１１０８の少なくとも一部は、領域１１１０で互いに平行に走り（又は、少なくとも非直交）、超伝導ループ１１０６の一部における電流の流れが超伝導ループ１１０８の一部における電流の流れを直接誘導するのに十分密である。

超伝導集積回路の同じ層で製造された超伝導ループ１１０６及び１１０８を用いて、図１１のレイアウト１１００を実施することができる。超伝導集積回路は、多層超伝導集積回路であってもよい。幾つかの実装形態において、層を、超伝導金属を用いて製造し、誘電材料の絶縁層によって分離する。超伝導ループ１１０６及び１１０８は、ニオブ、アルミニウム及び／又は別の適切な超伝導材料を含んでもよい。絶縁層は、二酸化ケイ素を含んでもよい。代わりに、多層超伝導集積回路の異なる層で製造された超伝導ループ１１０６及び１００８を用いて、レイアウト１１００を実施することができる。

超伝導ループ１１０６及び１１０８は、超伝導線のループであってもよい。超伝導線のループは、１つ又は複数の超伝導トレースを含むことができる。レイアウト１１００の製造は、超伝導トレースを調整して、超伝導トレースの少なくとも一部が互いに誘導的に近接するようにする方法を含んでもよい。領域１１１０は、領域１１１０を通る超伝導ループ１１０６及び１１０８の一部のための迂回経路を生成するように付着及び／又は調整されているトレースを含んでもよい。

図１０を参照して上述された方法と同様に、例えば、製造中に超伝導ループ１１０６及び１１０８の選択的調整及び／又は付着によって、超伝導デバイス１１０２及び１１０４の直接連通可能結合の大きさを制御することができる。例えば、超伝導回路に対する空間の不利益を受けることなく、選択的調整によって領域１１１０における超伝導ループ１１０６及び１１０８の超伝導線の幅を調節することを達成することができる。超伝導線の選択的調整は、単に離散値ではなく、連続範囲にわたって、超伝導デバイス１１０２及び１１０４の直接連通可能結合の大きさの調節可能同調を行うことができる。１つの実装形態において、２つの超伝導デバイスの間の直接連通可能結合の大きさは、超伝導線を選択的に調整し、適切な迂回経路をたどるように超伝導線を構成することによって、０から媒介結合の大きさの２倍の範囲にわたって調節可能である。１つの実装形態において、超伝導線を、２μｍの幅から０．５μｍの幅に選択的に調整する。

図１１Ｂは、本システム及び方法による、図１１Ａのレイアウト１１００の会合領域１１１４の実装形態の例の略図である。会合領域１１１４は、各超伝導ループ１１０６及び１１０８の超伝導トレースが各迂回経路をたどる領域１１１６を含む。

図１２は、アナログコンピュータ１２０４に結合されたデジタルコンピュータ１２０２を含むハイブリッド計算システム１２００の例を示す。幾つかの実装形態において、アナログコンピュータ１２０４は、量子コンピュータであり、デジタルコンピュータ１２０２は、古典的コンピュータである。

例示的なデジタルコンピュータ１２０２は、少なくとも１つのデジタルプロセッサ１２０６を含み、各デジタルプロセッサ１２０６は、１つ又は複数の中央処理装置（図１２に示さない）を含んでもよい。１つだけのデジタルプロセッサ１２０６を図１２に示す。デジタルプロセッサ１２０６を使用して、本システム及び方法に記載の古典的デジタル処理タスクを実行してもよい。他の実装形態において、デジタルコンピュータ１２０２は、１つを超えるデジタルプロセッサを含むことができる。専用機械を形成するように適切に構成又はプログラムされる場合、及び／又はアナログコンピュータ（例えば、量子コンピュータ）を制御するように連通可能に結合される場合、ハンドヘルドデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベース又はプログラマブル消費者エレクトロニクス、パーソナルコンピュータ（「ＰＣ」）、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータなどを含む他のデジタルコンピュータを用いて、本システム及び方法を実施することができることが当業者は分かる。

デジタルコンピュータ１２０２を、ここで、時には単数で説明するけれども、これは、アプリケーションを単一デジタルコンピュータに限定するように意図されていない。通信ネットワークを介してリンクされる遠隔処理デバイスによってタスク又は命令のセットを実施又は実行する分散計算環境で、本システム及び方法を実施することもできる。分散計算環境で、コンピュータ又はプロセッサ可読命令（本出願で、プログラムモジュールとも呼ばれる）、アプリケーションプログラム及び／又はデータを、ローカル及び遠隔メモリ記憶デバイス（例えば、持続性コンピュータ又はプロセッサ可読媒体）の両方に記憶してもよい。

デジタルコンピュータ１２０２は、少なくとも１つのデジタルプロセッサ１２０６、少なくとも１つのシステムメモリ１２０８、及び様々なシステム構成要素の間（例えば、システムメモリ１２０８とデジタルプロセッサ１２０６との間）に連通可能結合を与える少なくとも１つのシステムバス１２１０を含んでもよい。システムメモリ１２０８は、不揮発性メモリ（例えば、読み出し専用メモリ（「ＲＯＭ」）、スタティックランダムアクセスメモリ（「ＳＲＡＭ」）、フラッシュＮＡＮＤ）、及び揮発性メモリ（例えば、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」））（図示せず）を含んでもよく、これらは全て、持続性コンピュータ又はプロセッサ可読媒体の例である。システムバス１２１０は、メモリ制御器を有するメモリバス、周辺バス、及びローカルバスを含む任意の既知のバス構造又はアーキテクチャを使用することができる。

デジタルプロセッサ１２０６は、例えば、１つ又は複数のコアを有する任意の論理処理ユニット（例えば、１つ又は複数の中央処理装置（「ＣＰＵ」）、グラフィックス処理ユニット（「ＧＰＵ」）、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）、特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）、プログラマブルゲートアレイ（「ＦＰＧＡ」）など）であってもよい。

他に説明がない限り、図１２に示す様々なブロックの構成及び動作は、従来の設計である。その結果、このようなブロックを当業者は分かるので、ここで、このようなブロックをより詳細に説明する必要がない。

デジタルコンピュータ１２０２は、ユーザ入出力サブシステム１２１２を含んでもよい。幾つかの実装形態において、ユーザ入出力サブシステムは、１つ又は複数のユーザ入出力構成要素（例えば、ディスプレイ１２１４、マウス１２１６、及び／又はキーボード１２１８）を含む。

ＲＯＭの一部を形成することができる基本入出力システム（「ＢＩＯＳ」）１２２０は、例えば、起動中に、デジタルコンピュータ１２０２内の要素間の情報の転送を支援する基本ルーチンを含む。

更に、デジタルコンピュータ１２０２は、他の不揮発性メモリ１２２２を含んでもよい。不揮発性メモリ１２２２は、ハードディスクに読み書きするハードディスクドライブ、取り外し可能光ディスクに読み書きする光ディスクドライブ、及び／又は磁気ディスクに読み書きする磁気ディスクドライブを含む様々な形をとってもよく、これらは全て、持続性コンピュータ又はプロセッサ可読媒体の例である。光ディスクは、ＣＤ－ＲＯＭ又はＤＶＤであることができる一方、磁気ディスクは、磁気フロッピーディスク又はディスケットであることができる。不揮発性メモリ１２２２は、システムバス１２１０を介してデジタルプロセッサと通信してもよく、システムバス１２１０に結合された適切なインターフェース又は制御器１２２４を含んでもよい。不揮発性メモリ１２２２は、コンピュータ又はプロセッサ可読命令、データ構造、又はデジタルコンピュータ１２０２用の他のデータ（プログラムモジュールとも呼ばれる）のための長期記憶装置としての機能を果たしてもよい。

デジタルコンピュータ１２０２は、ハードディスク、光ディスク及び／又は磁気ディスクを使用するとして説明されているけれども、当業者は、他のタイプの不揮発性コンピュータ可読媒体（このような磁気カセット、フラッシュメモリカード、フラッシュ、ＲＯＭ、スマートカードなど、これらは全て、持続性コンピュータ又はプロセッサ可読媒体の更なる例である）を使用することができることが分かる。当業者は、幾つかのコンピュータアーキテクチャが揮発性メモリ及び不揮発性メモリを合成することが分かる。例えば、揮発性メモリにおけるデータを、不揮発性メモリにキャッシュすることができる。又は、ソリッドステートディスクは、集積回路を使用して不揮発性メモリを提供する。幾つかのコンピュータは、メモリにおけるディスクに従来記憶されるデータを置く。同様に、揮発性と従来見なされる幾つかの媒体は、不揮発性の形態（例えば、デュアルインラインメモリモジュールの不揮発性デュアルインラインメモリモジュールの変型例）を有することができる。

コンピュータ又はプロセッサ可読命令（本出願で、プログラムモジュールとも呼ばれる）、アプリケーションプログラム及び／又はデータの様々なセットを、システムメモリ１２０８に記憶することができる。例えば、システムメモリ１２０８は、オペレーティングシステム１２２６、及びコンピュータ又はプロセッサ可読サーバー命令（即ち、サーバーモジュール）１２２８のセットを記憶してもよい。幾つかの実装形態において、サーバーモジュール１２２８は、遠隔クライアントと通信し、デジタルコンピュータ１２０２及びアナログコンピュータ１２０４上の資源を含む資源の使用をスケジュールする命令を含む。例えば、デジタルコンピュータ１２０２が、インターネット、企業イントラネット、又は他のネットワークを介して、ソース、及びサーバーコンピュータで実行する他のサーバーアプリケーションとデータを交換することができるウェブサーバーアプリケーション及び／又はウェブクライアント又はブラウザーアプリケーション。

幾つかの実装形態において、システムメモリ１２０８は、コンピュータ又はプロセッサ可読命令１２３０の他のセット（例えば、計算命令、アナログコンピュータインターフェース命令など）を記憶してもよい。

サーバー命令１２２８、他の命令１２３０、及び他のデータ（図１２に示さない）を、システムメモリ１２０８に記憶するように図１２に示しているけれども、不揮発性メモリ１２２２、又は１つ又は複数の他の持続性コンピュータ又はプロセッサ可読媒体を含む他の場所に記憶することもできる。

アナログコンピュータ１２０４を、分離環境（図１２に示さない）に設けることができる。例えば、アナログコンピュータ１２０４が量子コンピュータである場合、分離環境は、熱、磁場など、及び他の外部雑音（図１２に示さない）から量子コンピュータの内部構成要素を遮蔽し、及び／又は、アナログプロセッサ１２０４の回路が超伝導状態になる温度又はこの温度未満にアナログプロセッサを冷却する。対照的に、デジタルコンピュータ１２０２は典型的に、超伝導が生じない非常に高い温度（例えば、室温）で動作し、及び／又は、臨界温度又は臨界温度未満でも超伝導でない材料を使用することができる。アナログコンピュータ１２０４は、アナログプロセッサ１２３２を含む。アナログプロセッサ１２３２の例は、量子プロセッサ（例えば、超伝導量子プロセッサ）を含む。

量子プロセッサは、プログラマブル要素（例えば、量子ビット、結合器、及び他のデバイス）を含む。読み出しシステム１２３４を介して、量子ビットを読み出すことができる。サーバーモジュール１２２８、又はネットワークなどの上で戻される不揮発性メモリ１２２２に記憶される他のモジュール１２３０を含む、デジタルコンピュータ１２０２用のコンピュータ又はプロセッサ可読命令の様々なセットに、読み出し値を供給することができる。量子ビット制御システム１２３６を介して、量子ビットを制御することができる。幾つかの実装形態において、量子ビット制御システム１２３６及び結合器制御システム１２３８を使用して、本出願に記載のように、アナログプロセッサ１２３２で量子アニーリングを実施する。幾つかの実装形態において、アナログプロセッサ１２３２は、上述の様々な実装形態に従って媒介及び／又は直接量子ビット－量子ビット結合を有する超伝導量子ビットを含む伝導集積回路１２４０を含む。

幾つかの実装形態において、デジタルコンピュータ１２０２は、少なくとも１つのクライアントコンピュータシステムへの論理接続を用いたネットワーキング環境で動作することができる。幾つかの実装形態において、少なくとも１つのデータベースシステムへの論理接続を介して、デジタルコンピュータ１２０２を結合する。例えば、インターネットを含むローカルエリアネットワーク（「ＬＡＮ」）又はワイドエリアネットワーク（「ＷＡＮ」）などのネットワークを介したデジタル通信の任意の手段を用いて、これらの論理接続を形成してもよい。ネットワーキング環境は、有線又は無線の企業規模のコンピュータネットワーク、イントラネット、エクストラネット、及び／又はインターネットを含んでもよい。他の実施形態は、他のタイプの通信ネットワーク（例えば、電気通信ネットワーク、セルラーネットワーク、ページングネットワーク、及び他のモバイルネットワーク）を含んでもよい。論理接続を介して送信又は受信される情報を、暗号化してもよく、又は暗号化しなくてもよい。ＬＡＮネットワーキング環境で使用される場合、アダプター又はネットワークインターフェースカード（「ＮＩＣ」）（システムバス１２１０に通信可能にリンクされる）を介して、デジタルコンピュータ１２０２をＬＡＮに接続してもよい。ＷＡＮネットワーキング環境で使用される場合、デジタルコンピュータ１２０２は、インターフェース及びモデム（図示せず）、又はＷＡＮ上で通信を確立するデバイス（例えば、ＮＩＣ）を含んでもよい。更に又は代わりに、非ネットワーク化通信を使用してもよい。

図１３Ａは、本システム及び方法による、超伝導集積回路１３００ａの一部の断面である。超伝導集積回路１３００ａは、基板１３０２を含む。基板１３０２は、例えば、シリコン基板、又は誘電材料の層であってもよい。更に、超伝導集積回路１３００ａは、介在層１３０８によって互いに分離された１対の超伝導トレース１３０４及び１３０６を含み、超伝導トレース１３０６は、超伝導トレース１３０４の上に横たわる。超伝導トレース１３０４及び１３０６は、超伝導金属（例えば、ニオブ又はアルミニウム）を含んでもよく、又は超伝導金属からなってもよい。超伝導トレース１３０４及び１３０６は、それぞれ誘電材料１３１０及び１３１２の層に隣接していてもよい。介在層１３０８は、絶縁層であってもよい。絶縁層は、誘電材料の層又はエアブリッジを含む。介在層１３０８の厚さを選択して、超伝導トレース１３０４及び１３０６を、互いに直接誘導連通可能結合するようにしてもよい。

図１３Ｂは、本システム及び方法による、超伝導集積回路１３００ｂの一部の断面である。超伝導集積回路１３００ｂは、基板１３１４を含む。基板１３１４は、例えば、シリコン基板、又は誘電材料の層であってもよい。更に、超伝導集積回路１３００ｂは、介在層１３２０によって互いに分離された１対の隣接超伝導トレース１３１６及び１３１８を含む。超伝導トレース１３１６及び１３１８は、超伝導金属（例えば、ニオブ又はアルミニウム）を含んでもよく、又は超伝導金属からなってもよい。超伝導トレース１３１６及び１３１８は、誘電材料１３２２の上部層に隣接していてもよい。介在層１３２０は、絶縁層であってもよい。絶縁層は、誘電材料の層又はエアブリッジを含む。介在層１３２０による隣接超伝導トレース１３１６及び１３１８の分離を選択して、超伝導トレース１３１６及び１３１８を、互いに直接誘導連通可能結合するようにしてもよい。

図１３Ａの超伝導トレース１３０４及び１３０６は、互いの上に横たわっている。超伝導トレース１３０４及び１３０６を、介在層１３０８によって分離する。超伝導トレース１３０４及び１３０６は、互いに誘導的に近接することができ、即ち、超伝導集積回路の向きにかかわらず、超伝導トレース１３０４における電流が超伝導トレース１３０６における電流を誘導することができる（逆もまた同様）ように、適切に方向付けされて十分密に配置されることができる。図１３Ｂの超伝導トレース１３１６及び１３１８は、互いに隣接している。超伝導トレース１３１６及び１３１８を、介在層１３２０によって分離する。超伝導トレースは、互いに誘導的に近接することができ、即ち、超伝導集積回路の向きにかかわらず、超伝導トレース１３１６における電流が超伝導トレース１３１８における電流を誘導することができる（逆もまた同様）ように、適切に方向付けされて十分密に配置されることができる。

図１４Ａは、本システム及び方法による、集積回路を形成する方法１４００の例のフローチャートである。当業者は、代替の実装形態において、特定の動作を省略する、及び／又は追加動作を追加することができることが分かるけれども、方法１４００は、動作１４０２～１４１８を含む。当業者は、動作の図示の順序が、単に例示的な目的で示され、代替の実装形態において、変わることができることが分かる。

１４０２で、方法１４００を呼び出す。幾つかの実装形態において、製造システムが、集積回路の製造を開始する、又は部分的に完成された集積回路の製造を継続する準備ができている場合、方法１４００を呼び出す。１４０４で、システムは、集積回路上の１対のデバイス（例えば、超伝導デバイス）の間の連通可能結合の目標の大きさを判定する。１４０６で、システムは、媒介連通可能結合の大きさと目標の大きさとの間の差を判定する。媒介連通可能結合を、媒介結合デバイス（例えば、図９の結合デバイス９０４のうち１つ）によって与えてもよい。

１４０８で、システムは、媒介結合の大きさと目標の大きさとの間の差に少なくとも部分的に基づいて調整許容範囲（本出願で、調整幅とも呼ばれる）を判定する。１４０８で判定される調整幅は、図１４Ｂを参照して判定調整幅と呼ばれる。

１４１０で、システムは、材料（例えば、超伝導金属）の第１のループを付着させ、１４１２で、システムは、材料の第２のループを付着させる。幾つかの実装形態において、システムは、材料の第１及び第２のループを付着させ、上述のように、交差領域又は会合領域で、トレースの狭小を含む所定の連通可能結合、及び／又は迂回経路を達成する。他の実装形態において、システムは、調整幅エッチングを実行して、１４１４で第１の経路を形成し、１４１６で第２の経路を形成する。

１４１８で、方法は、終了する。

図１４Ｂは、本システム及び方法による、方法１４００（図１４Ａ）の第１の経路１４１４の調整用の方法１４１９の例のフローチャートである。当業者は、代替の実装形態において、特定の動作を省略する、及び／又は追加動作を追加することができることが分かるけれども、方法１４１９は、動作１４２０～１４２８を含む。当業者は、動作の図示の順序が、単に例示的な目的で示され、代替の実装形態において、変わることができることが分かる。同様の方法を使用して、調整幅エッチングを実行し、方法１４００（図１４Ａ）の１４１６における第２の経路を形成することができる。

１４２０で、システムは、第１の硬質マスクを付着させ、１４２２で、システムは、第２の硬質マスクを付着させる。１４２４で、システムは、フォトレジスト層を付着させ、１４２６で、フォトレジスト層をパターン形成する。１４２８で、システムは、エッチングを実行して、第１の経路から材料を除去し、所定の調整幅及び目標の大きさを達成する。

上述の本技術の実装形態の例は、超伝導デバイスの間の直接誘導連通可能結合を含むけれども、他の実装形態は、超伝導デバイスの間の直接流電連通可能結合を含む。同じ超伝導デバイスの間の直接誘導連通可能結合の代わりに、又は直接誘導連通可能結合に加えて、超伝導デバイスの間の直接流電連通可能結合があってもよい。２つの超伝導デバイスの間の直接流電連通可能結合は、一方のデバイスの超伝導ループの他方のデバイスの超伝導ループとの共用部分を含んでもよい。直接流電連通可能結合は、超伝導デバイスの間の結合の大きさを増加してもよい。他の実装形態は、単独で又は本システム及び方法による直接結合と組み合わせて、及び／又は本システム及び方法による媒介結合、及び／又は直接及び媒介結合の組み合わせで、超伝導デバイスの間の容量結合を含む。流電結合及び容量結合を含む様々な結合トポロジーの説明に対して、例えば、ＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ２０１９１２６３９６Ａ１号、「SYSTEMS AND METHODS FOR COUPLING QUBITS IN A QUANTUM PROCESSOR」を参照せよ。

上述の本技術の実装形態の例は、１対の超伝導デバイスの間の直接連通可能結合を含むけれども、他の実装形態は、２つを超える超伝導デバイスの間の直接連通可能結合を含む。一般的に、本技術による２つ以上の超伝導デバイスの間の連通可能結合は、誘導、流電、直接及び媒介連通可能結合の組み合わせを含んでもよい。上述のレイアウト、及び所望の結合の大きさを達成する超伝導トレースの選択的調整は、様々なこれらの配置で用いるのに適している。

幾つかの実装形態において、量子プロセッサにおける超伝導デバイスの間の直接結合を、量子プロセッサにおける超伝導デバイスの選択サブセットだけに使用する。

本技術の利点は、下記を含むことができる。
・レイアウトの実装形態は、対称及び小型であることができ、レイアウトは、（他の手法と違って）量子ビット本体で追加の工夫を必要としない。
・レイアウト空間の不利益を受けることなく、調整金属片の幅の適切な選択によって、直接結合の大きさを制御することができる。例えば、０から典型的な媒介結合の大きさの２倍の結合の大きさの連続同調を達成することができる。トレースを、例えば、２μｍの幅から０．５μｍの幅に調整することができる。
・技術は、より対称／多重の実装形態に拡張可能である。
・技術は、製造整列不良及び欠陥に対してロバストである。製造誤差（例えば、層間整列不良）に対するロバスト性の１つの理由は、製造誤差からの直接結合の大きさの少なくともある程度の保護を与える対称配置である。１つの実装形態において、直接結合は、最大１２０ｎｍの層間整列不良に対してロバストである。

この明細書及び添付の特許請求の範囲全体にわたって、例えば、結合デバイスの感受性を説明するために使用される場合、用語「強磁性領域」は、結合デバイスによって連通可能に結合される１対の超伝導デバイスを強磁性的に結合するように、結合デバイスに印加可能な磁束バイアスの範囲を説明するために使用される。同様に、この明細書及び添付の特許請求の範囲全体にわたって、例えば、結合デバイスの感受性を説明するために使用される場合、用語「反強磁性領域」は、結合デバイスによって連通可能に結合される１対の超伝導デバイスを反強磁性的に結合するように、結合デバイスに印加可能な磁束バイアスの範囲を説明するために使用される。

この明細書及び添付の特許請求の範囲全体にわたって、用語「結合器」及び「結合デバイス」は、交換可能に使用される。しかし、「結合器」及び「結合デバイス」の両方は、１対の超伝導デバイスを一緒に強磁性的に又は反強磁性的に結合するために使用可能な少なくとも１つのジョセフソン接合部によって遮断される超伝導材料の結合ループを説明するために使用される。更に、この明細書及び添付の特許請求の範囲全体にわたって、用語「１対の連通可能結合超伝導デバイス」は、直接結合又は結合デバイスによって一緒に強磁性的に又は反強磁性的に結合可能な１対の超伝導デバイスを説明するために使用される。

この明細書及び添付の特許請求の範囲全体にわたって、「超伝導材料のループ」などの物理的構造を説明するために使用される場合、用語「超伝導」は、適切な温度で超伝導体として振る舞うことができる材料を示すために使用される。超伝導材料は、本システム及び方法の全実施形態で常に超伝導体としての機能を必ずしも果たすとは限らない。

要約書に記載の内容を含む例示の実装形態の上述の説明は、網羅的であるように、又は実施形態を開示の正確な形態に限定するように意図されていない。特定の実施形態及び例は、例示の目的でここに記載されているけれども、当業者が分かるように、開示の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な均等物の修正を加えることができる。様々な実施形態のここで与えられる教示を、他のアナログプロセッサ（必ずしも、一般的に上述の例示的な量子プロセッサとは限らない）に適用することができる。

上述の様々な実施形態を組み合わせて、更なる実施形態を与えることができる。２０１５年９月８日に発行の「SYSTEMS AND METHODS FOR INCREASING THE ENERGY SCALE OF A QUANTUM PROCESSOR」と称する米国特許第９，１２９，２２４号、「SYSTEMS AND METHODS FOR COUPLING QUBITS IN A QUANTUM PROCESSOR」と称するＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ２０１９／１２６３９６Ａ１号、及び「SYSTEMS AND METHODS FOR COUPLING BETWEEN QUBITS」と称する米国特許出願第６３／０４６，３９４号（但し、これらに限定されない）を含む、この明細書に参照される、及び／又は出願データシートに列挙される同一出願人による米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、及び外国特許出願の全部を、全体として参照により本明細書に引用したものとする。上述の詳細な説明を踏まえて、これらの変更及び他の変更を実施形態実装形態に加えることができる。一般的に、下記の特許請求の範囲において、使用される用語は、明細書及び特許請求の範囲に開示の特定の実施形態に特許請求の範囲を限定するように解釈されるべきではなく、このような特許請求の範囲に与えられる均等物の全範囲と一緒に全ての可能な実施形態を含むように解釈されるべきである。従って、特許請求の範囲は、開示によって限定されない。

Claims (36)

1. 超伝導集積回路の第１の層に第１の超伝導トレースを含む第１の超伝導ループを含む第１の超伝導デバイスと、
   前記超伝導集積回路の第２の層に第２の超伝導トレースを含む第２の超伝導ループを含む第２の超伝導デバイスであって、前記第２の層は、前記第１の層の上に横たわり、及び／又は前記第１の層に隣接し、前記第２の層は、介在層によって前記第１の層から分離されている第２の超伝導デバイスと、
   前記第１の超伝導ループが前記第２の超伝導ループと投影で交差する交差領域であって、前記交差領域の内側の前記第１の超伝導トレースの少なくとも一部は、前記交差領域の外側の前記第１の超伝導トレースの少なくとも一部よりも狭く、前記交差領域の内側の前記第２の超伝導トレースの少なくとも一部は、前記交差領域の外側の前記第２の超伝導トレースの少なくとも一部よりも狭く、前記交差領域の内側の前記第１の超伝導トレースの前記少なくとも一部は、第１の迂回経路をたどり、前記交差領域の内側の前記第２の超伝導トレースの前記少なくとも一部は、第２の迂回経路をたどり、前記第１の迂回経路及び前記第２の迂回経路は、前記第１の迂回経路の長さの少なくとも一部に対して互いに誘導的に近接する交差領域と
   を含む超伝導集積回路。
2. 前記第１の迂回経路及び前記第２の迂回経路は、前記第１の迂回経路の長さの少なくとも一部に対して少なくとも部分的に互いの上に横たわる、請求項１に記載の超伝導集積回路。
3. 前記第１の超伝導ループは、前記第２の超伝導ループと実質的に垂直に交差する、請求項１又は２に記載の超伝導集積回路。
4. 前記第１の超伝導トレース及び前記第２の超伝導トレースの各々は、各超伝導金属を含む、請求項１又は２に記載の超伝導集積回路。
5. 前記各超伝導金属は、ニオブ及びアルミニウムからなる群から選択される超伝導金属を含む、請求項４に記載の超伝導集積回路。
6. 前記第１の超伝導デバイスは、第１のジョセフソン接合部を更に含み、前記第１のジョセフソン接合部は、前記第１の超伝導ループを遮断し、前記第２の超伝導デバイスは、第２のジョセフソン接合部を更に含み、前記第２のジョセフソン接合部は、前記第２の超伝導ループを遮断する、請求項１又は２に記載の超伝導集積回路。
7. 前記第１の超伝導デバイスは、第１の超伝導磁束量子ビットであり、前記第２の超伝導デバイスは、第２の超伝導磁束量子ビットである、請求項１又は２に記載の超伝導集積回路。
8. 前記交差領域の内側の前記第１の超伝導トレースの前記少なくとも一部は、４つの方向変更を含む、請求項１又は２に記載の超伝導集積回路。
9. 前記第１の迂回経路の第１の形状は、前記第２の迂回経路の第２の形状と一致する、請求項１又は２に記載の超伝導集積回路。
10. 前記介在層は、絶縁層を含む、請求項１又は２に記載の超伝導集積回路。
11. 前記絶縁層は、誘電材料及び／又はエアブリッジを含む、請求項１０に記載の超伝導集積回路。
12. 前記誘電材料は、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素のうち少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の超伝導集積回路。
13. 前記第１の超伝導デバイス及び前記第２の超伝導デバイスに結合され、前記第１の超伝導デバイスと前記第２の超伝導デバイスとの間に媒介結合を与えるように連通可能に結合されている結合デバイスを更に含む、請求項１又は２に記載の超伝導集積回路。
14. 前記交差領域の内側の前記第１の超伝導トレースの前記少なくとも一部及び前記交差領域の内側の前記第２の超伝導トレースの前記少なくとも一部の各々は、１つ又は複数のＵ字形輪郭を含む、請求項１又は２に記載の超伝導集積回路。
15. 請求項１～１４のいずれか一項に記載の超伝導集積回路を含む量子コンピュータ。
16. 第１の超伝導デバイスと第２の超伝導デバイスとの間の連通可能結合の大きさを同調させる方法であって、前記連通可能結合の前記大きさは、媒介連通可能結合及び直接連通可能結合の大きさの合計であり、
    前記第１及び第２の超伝導デバイスの間の前記連通可能結合の目標の大きさを判定することと、
    前記媒介連通可能結合の前記大きさと前記目標の大きさとの間の差を判定することと、
    前記媒介結合の前記大きさと前記目標の大きさとの間の前記差に少なくとも部分的に基づいて調整許容範囲を判定することと、
    前記第１の超伝導デバイスの第１の超伝導ループを第１の層に付着させることと、
    前記第２の超伝導デバイスの第２の超伝導ループを第２の層に付着させることであって、前記第２の超伝導ループは、前記第１の超伝導ループと交差して交差領域を形成することと、
    第１の迂回経路をたどり、前記交差領域の外側で前記第１の超伝導ループの少なくとも一部よりも狭くなるように、前記交差領域の内部で前記第１の超伝導ループの少なくとも一部を前記調整許容範囲だけ調整することと、
    第２の迂回経路をたどり、前記交差領域の外側で前記第２の超伝導ループの少なくとも一部よりも狭くなるように、前記交差領域の内部で前記第２の超伝導ループの少なくとも一部を前記調整許容範囲だけ調整することであって、その結果、前記第１の迂回経路及び前記第２の迂回経路は、前記第１の迂回経路の長さの少なくとも一部に対して互いに誘導的に近接することと
    を含む方法。
17. 前記第１の層と前記第２の層との間に介在層を付着させることを更に含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１の層と前記第２の層との間に介在層を付着させることは、絶縁層を付着させることを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 絶縁層を付着させることは、誘電材料の層を付着させること、及び／又はエアブリッジを形成することを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第２の超伝導デバイスの第２の超伝導ループを第２の層に付着させることは、前記第２の層の少なくとも一部が前記第１の層の少なくとも一部の上に横たわるように、前記第２の超伝導デバイスの第２の超伝導ループを第２の層に付着させることを含む、請求項１６～１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記第１の超伝導ループの少なくとも一部を前記調整許容範囲だけ調整することは、０．５μｍと２．０μｍとの間の幅に前記第１の超伝導ループの前記少なくとも一部を調整することを含む、請求項１６に記載の方法。
22. 前記第１の超伝導ループの少なくとも一部を前記調整許容範囲だけ調整することは、前記第１の超伝導ループの前記少なくとも一部の調整幅エッチングを実行することを含む、請求項１６に記載の方法。
23. 前記第１の超伝導ループの前記少なくとも一部の調整幅エッチングを実行することは、
    第１の硬質マスクを付着させ、前記第１の超伝導ループの前記少なくとも一部の少なくとも一部の上に横たわることと、
    第２の硬質マスクを付着させ、前記第１の硬質マスクの少なくとも一部の上に横たわることと、
    フォトレジスト層を付着させ、前記第２の硬質マスクの少なくとも一部の上に横たわることと、
    前記フォトレジスト層をパターン形成し、所定の調整幅を規定することと、
    前記第１の超伝導ループの前記少なくとも一部をエッチングし、前記所定の調整幅を除去することと
    を含む、請求項２２に記載の方法。
24. 集積回路を形成する方法であって、
    前記集積回路の第１の層に第１のトレースを含む第１のデバイスを形成することと、
    前記集積回路の第２の層に第２のトレースを含む第２のデバイスを形成することであって、前記第２のトレースの少なくとも一部は、前記第１のトレースの少なくとも一部に誘導的に近接し、これによって、前記第１のデバイスと前記第２のデバイスとの間に誘導連通可能結合があり、前記第１のトレースの前記少なくとも一部は、前記第１のトレースの少なくとも別の一部よりも狭いことと
    を含む方法。
25. 第２のデバイスを形成することは、第２のデバイスを形成することを含み、前記第２のトレースの少なくとも一部は、前記第２のトレースの少なくとも別の一部よりも狭い、請求項２４に記載の方法。
26. 第１のデバイスを形成することは、第１の超伝導デバイスを形成することを含み、第２のデバイスを形成することは、第２の超伝導デバイスを形成することを含む、請求項２４に記載の方法。
27. 第１の超伝導デバイスを形成することは、超伝導材料を付着させることを含む、請求項２６に記載の方法。
28. 第１の超伝導デバイスを形成することは、第１の迂回経路をたどり、前記第１のトレースの少なくとも別の一部よりも狭くなるように、前記第１のトレースの少なくとも一部を調整することを更に含む、請求項２７に記載の方法。
29. 第２の超伝導デバイスを形成することは、媒介結合デバイスに誘導的に近接する前記第２の超伝導デバイスを形成することを含み、前記媒介結合デバイスは、前記第１の超伝導デバイスと前記第２の超伝導デバイスとの間に連通可能結合を与える、請求項２４～２８のいずれか一項に記載の方法。
30. 媒介結合デバイスに誘導的に近接する前記第２の超伝導デバイスを形成することは、前記第１の超伝導デバイスと前記第２の超伝導デバイスとの間に反強磁性（ＡＦＭ）結合を与える媒介結合デバイスに誘導的に近接する前記第２の超伝導デバイスを形成することを含み、これによって、前記第１の超伝導デバイスと前記第２の超伝導デバイスとの間の前記誘導連通可能結合は、前記反強磁性結合を増加する、請求項２９に記載の方法。
31. 超伝導集積回路の第１の層に第１の超伝導トレースを含む第１の超伝導ループを含む第１の超伝導デバイスと、
    前記超伝導集積回路の第２の層に第２の超伝導トレースを含む第２の超伝導ループを含む第２の超伝導デバイスと、
    前記第１の超伝導ループの一部が前記第２の超伝導ループの一部と重複する領域であって、前記領域の内部の前記第１の超伝導トレースの少なくとも一部は、前記領域の外側の前記第１の超伝導トレースの少なくとも一部よりも狭く、前記領域の内部の前記第２の超伝導トレースの少なくとも一部は、前記領域の外側の前記第２の超伝導トレースの少なくとも一部よりも狭く、前記領域の内部の前記第１の超伝導トレースの前記少なくとも一部は、第１の経路をたどり、前記領域の内部の前記第２の超伝導トレースの前記少なくとも一部は、第２の経路をたどり、前記第１の経路及び前記第２の経路は、前記第１の経路の長さの少なくとも一部に対して互いに誘導的に近接する領域と
    を含む超伝導集積回路。
32. 前記第１の層は、前記第２の層と異なる層である、請求項３１に記載の超伝導集積回路。
33. 前記第１の層は、介在層によって前記第２の層から分離されている、請求項３１に記載の超伝導集積回路。
34. 前記第１の経路は、迂回経路である、請求項３１に記載の超伝導集積回路。
35. 前記第１の経路及び前記第２の経路は、一致する、請求項３４に記載の超伝導集積回路。
36. 前記第１の経路及び前記第２の経路は、少なくとも部分的に互いの上に横たわる、請求項３１に記載の超伝導集積回路。

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