JP2023541483A

JP2023541483A - 超伝導キュビットシステムとの使用のための希釈冷凍機におけるトラップイオンアーキテクチャ

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Publication number: JP2023541483A
Application number: JP2023517853A
Authority: JP
Inventors: ボゴリン、ダニエラ; ブロン、ニコラス; グマン、パトリック; ハート、ショーン; オリヴァデス、サルヴァトーレ
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2020-09-20
Filing date: 2021-09-17
Publication date: 2023-10-02
Also published as: WO2022058565A1; US12020115B2; EP4214651A1; CN115943393A; US20220092459A1

Abstract

量子コンピューティングシステムは、複数のチャンバを有する希釈冷凍機を備える。トラップイオンコンピューティングデバイスは、前記希釈冷凍機の前記複数のチャンバのうちの所定のチャンバにキュビットの第１セットを含む。超伝導コンピューティングデバイスは、前記希釈冷凍機の前記複数のチャンバのうちの前記所定のチャンバ内に超伝導キュビットの第２セットを含む。

Description

本開示は概して超伝導デバイスに関し、より具体的には、超伝導キュビットとトラップイオンシステムとの統合に関する。

超伝導量子コンピューティングは、超伝導電子回路における量子コンピュータの実装例である。量子計算は、情報処理及び通信のために、量子現象の応用を研究する。量子計算の様々なモデルが存在し、最も人気のあるモデルは、キュビット及び量子ゲートの概念を含む。キュビットは２つのあり得る状態を有するビットの一般化であるが、両方の状態の量子重ね合わせにあることができる。量子ゲートは論理ゲートの一般化である。しかしながら、量子ゲートは、キュビットの初期状態からゲートを適用した後に、１つ又は複数のキュビットが経験する変換を説明するものである。重ね合わせ及びもつれなど、様々な量子現象は古典的コンピューティングの世界では類似していないため、特殊な構造、技術及び材料を含み得る。

近年、量子技術の発展は、超伝導キュビット、イオンなどを含む異なる物理的システムへのキュビットの実装を先導している。各システムにはそれ自体の利点があるが、各システムは異なる環境で動作しており、容易に統合できるものではない。

一実施形態によれば、量子コンピューティングシステムは、複数のチャンバを有する希釈冷凍機を備える。前記希釈冷凍機の前記複数のチャンバのうちの所定のチャンバにキュビットの第１セットを含むトラップイオンコンピューティングデバイスがある。超伝導コンピューティングデバイスは、前記希釈冷凍機の前記複数のチャンバのうちの前記所定のチャンバ内に超伝導キュビットの第２セットを含む。

１つの実施形態において、前記超伝導キュビットの第２セットは、前記複数のチャンバのうちの前記所定のチャンバ内にネストされた混合チャンバにある。前記混合チャンバは、前記所定のチャンバより低い温度にあることができる。

１つの実施形態において、前記混合チャンバは１０～２０ｍＫにあり、前記所定のチャンバは１００ｍＫにある。

１つの実施形態において、前記混合チャンバは、前記超伝導キュビットの第２セットに結合された、フィルタ、若しくはアイソレータ、又はその組み合わせをさらに含む。

１つの実施形態において、前記複数のチャンバはネストされ、外部真空シールドと、前記外部真空シールドにネストされた第２チャンバと、前記第２チャンバにネストされた第３チャンバと、前記第３チャンバにネストされた第４チャンバと、前記所定のチャンバに対応し、前記第４チャンバにネストされた第５チャンバと、前記混合チャンバに対応する第６チャンバとを含む。

１つの実施形態において、前記外部真空シールドは、約３００Ｋのシールドであり、前記第２チャンバは約５０Ｋのシールドであり、前記第３チャンバは約４Ｋのシールドであり、前記第４チャンバは約７００～８００ｍＫのシールドであり、前記第５チャンバは約１００ｍＫのシールドであり、前記第６チャンバは約１０～２０ｍＫのシールドである。

１つの実施形態において、前記所定のチャンバは、前記イオンコンピューティングデバイスのイオントラップに結合された１つ又は複数の光ファイバを含む。

１つの実施形態において、前記イオンコンピューティングデバイスは銅（Ｃｕ）缶に収容される。

１つの実施形態において、前記Ｃｕ缶は、熱及び放射線を遮蔽するように構成されており、光ファイバ及びイオンビーム入射口のための１つ又は複数の穴を含む。

１つの実施形態において、イオントラップは第３チャンバ内の静止フランジに固定される。

１つの実施形態において、前記静止フランジは７００～８００ｍＫにある。

１つの実施形態において、前記イオントラップは４Ｋのフランジに固定される。

１つの実施形態において、前記イオントラップは前記第５チャンバのコールドプレートに固定される。

一実施形態によれば、方法は複数のチャンバを有する希釈冷凍機を提供する段階を備える。トラップイオンコンピューティングデバイスは、前記希釈冷凍機の前記複数のチャンバのうちの所定のチャンバに収容されるキュビットの第１セットを含む。超伝導コンピューティングデバイスは、前記希釈冷凍機の前記複数のチャンバのうちの前記所定のチャンバ内に提供される超伝導キュビットの第２セットを含む。

１つの実施形態において、超伝導キュビットの前記第２セットは、前記複数のチャンバのうちの前記所定のチャンバ内にネストされた混合チャンバに収容される。

１つの実施形態において、混合チャンバは所定のチャンバの温度より低い温度で動作する。

１つの実施形態において、希釈冷凍機の外部真空シールドは約３００Ｋで提供される。

１つの実施形態において、複数のチャンバの第２チャンバは約５０Ｋのシールドで動作する。

１つの実施形態において、複数のチャンバの第３チャンバは約４Ｋのシールドで動作する。

１つの実施形態において、複数のチャンバの第４チャンバは約７００から８００ｍＫのシールドで動作する。

１つの実施形態において、複数のチャンバの第５チャンバは約１００ｍＫのコールドプレートシールドで動作する。

１つの実施形態において、複数のチャンバの第６チャンバは約１０から２０ｍＫのシールドで動作する。

１つの実施形態において、光ファイバは所定のチャンバ内のイオンコンピューティングデバイスのイオントラップに結合される。

１つの実施形態において、イオンコンピューティングデバイスは銅（Ｃｕ）缶に収容される。

１つの実施形態において、Ｃｕ缶は熱と放射線とを遮蔽するように構成されている。

１つの実施形態において、１つ又は複数の穴は光ファイバとイオンビーム入射口とのために提供される。

これら及び他の特徴は、添付図面と関連して読まれる、その例示的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

図面は例示的な実施形態のものである。これらの図面は、全ての実施形態を図示するものではない。他の実施形態が追加で又は代わりに使用されてもよい。空間の節約又はより効果的な図示のために、明らか又は不要であり得る詳細は省略されることがある。いくつかの実施形態は、追加的なコンポーネント又は段階を使用して、若しくは図示されている全てのコンポーネント又は段階を使用せずに、又はその組み合わせで実施され得る。同じ数字が異なる図面に表示されている場合、それは同じ又は同様のコンポーネント又は段階を指す。

例示的な実施形態と一致する、量子コンピューティングシステムの例示的なアーキテクチャを示す図である。

例示的な実施形態と一致する、共通の希釈冷凍機に超伝導量子コンピュータとイオントラッピング量子コンピュータとを含むハイブリッドセットアップのアーキテクチャを示す図である。

例示的な実施形態と一致する、共通の希釈冷凍機に超伝導量子コンピュータとイオントラッピングコンピュータとを組み合わせる例示的なプロセスを説明する図である。

概要
以下の詳細な説明では、関連する教示を十分に理解を提供するために、多数の具体的な詳細を例として挙げている。しかしながら、本教示はそのような詳細なしで実践され得ることは明らかである。他の例では、周知の方法、手順、コンポーネント、若しくは回路又はその組み合わせは、本教示の態様を不必要に不明瞭にすることを回避するために、詳細な説明をせずに、比較的高いレベルで説明されている。

本明細書では、第１、第２、第３などの用語を用いて様々な要素を説明することがあるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、ある要素を別の要素から区別するためにのみ使用される。例えば、例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく、第１要素又はネストされたチャンバを第２要素又はネストされたチャンバと称することができ、同様に、第２要素を第１要素と称することができる。本明細書で使用される場合、用語「及び／又は」は、関連する列挙項目のうちの１又は複数の任意の及び全ての組み合わせを含む。

本明細書において、例示的な実施形態は、理想化又は簡略化された実施形態（及び中間構造）の概略図を参照しながら説明される。そのため、結果として、図示の形状からの、例えば、製造技術、若しくは公差又はその組み合わせの変形例は予測され得る。そうして、図示された領域は、本質的に概略的なものであり、その形状は必ずしもデバイスの領域の実際の形状又は比例規模を示すものではなく、範囲を限定するものではない。

特許請求の範囲によって定義される精神及び範囲から逸脱することなく、他の実施形態を使用することができ、構造的又は論理的な変更を行うことができることが理解されよう。実施形態の説明は、限定的なものではない。特に、以下に説明する実施形態の要素は、異なる実施形態の要素と組み合わされてもよい。

本明細書で使用される場合、「無損失」、「スーパコンダクタ」、「超伝導」、「絶対零度」など、理想化された挙動とみなされ得るものを示す特定の用語を使用しているが、これらは、正確には理想的ではないことがあるが、所与の用途では許容範囲内にある機能をカバーすることが意図されている。例えば、あるレベルの損失又は公差は許容可能であり得、それにより、結果として得られる材料及び構造をこれらの「理想化」された用語で依然として称することができる。

本開示は、一般に、超伝導デバイスに関し、より具体的には、異なるタイプの量子技術、すなわち超伝導キュビット及びトラップイオンの属性を組み合わせることに関する。超伝導キュビットは、ゲート時間が速く、拡張可能なアーキテクチャに適している。しかしながら、超伝導キュビットは一般にコヒーレンス時間が短く、長期ストレージの効率的な方法を提供しない。さらに、それらは、希釈冷凍機などの特殊なハードウェアのオーバーヘッドを含む。

一方、トラップイオンは環境との相互作用が小さく、超伝導キュビットに比べてはるかに長いコヒーレンス時間を提供する。しかしながら、トラップイオンのゲート時間がより長い。さらに、トラップイオンは、レーザ又は磁場などの特定のハードウェアを必要とすることがあり、それらは超高真空に浸される。例えば、レーザは、キュビット状態間の結合（単一キュビット演算の場合）、又は内部キュビット状態と外部運動状態との間の結合（例えば、キュビット間のもつれの場合）を誘発するために適用される。

量子計算のための２つの重要なタスクは、情報の処理及び保存を含む。本明細書の教示は、超伝導キュビット及びトラップイオンの両方を含むハイブリッドアーキテクチャを提供し、それによって、両方の技術の利点を活用して全体的により効率的な量子コンピューティングデバイスを実現する。量子ハイブリッドシステムでは、量子論理ゲートなどの量子計算プロセスをある技術で実装することができるが、情報をより長い持続時間で保存するために別の技術を使用することができる。しかしながら、ハイブリッドシステムは各種課題を伴っている。超伝導キュビットのプロセスの多くは低温環境で（例えば、極低温チャンバで）実行され、キュビットのマイクロ波信号は最終的に室温で測定される。返された／出力されたマイクロ波信号の振幅、若しくは位相又はその組み合わせは、キュビットが基底まで減衰したかどうか、或いは励起状態にあるかなど、キュビット状態に関する情報を搬送する。キュビット状態に関する量子情報を搬送するマイクロ波信号は通常弱い（例えば、数マイクロ波光子のオーダーである）。この弱信号を室温の電子機器（すなわち冷凍環境外）で測定するために、ジョセフソン増幅器及び進行波パラメトリック増幅器（ＴＷＰＡ）などの低ノイズ量子限界増幅器（ＱＬＡ）を量子システムの出力でプリアンプ（すなわち第１増幅段階）として使用し、出力チェーンの信号対ノイズ比を改善するために、量子力学が規定する最小量のノイズを付加しながら量子信号を増強することができる。ジョセフソン増幅器に加えて、ジョセフソンサーキュレータ、ジョセフソンアイソレータ、及びジョセフソンミキサなど、ジョセフソン増幅器又はジョセフソンミキサを用いた特定のジョセフソンマイクロ波コンポーネントは、拡張可能な量子プロセッサに使用することができる。

キュビットシステムは、キュビットに結合された１つ又は複数の読み出し共振器を含むことができる。読み出し共振器は、１／４波長共振器のように、一方の側で接地への容量性接続を含み、他方の側で接地に短絡している伝送線路であってよく、又は、半波長共振器のように、接地への容量性接続を有してよく、それにより伝送線路内で振動が生じ、その振動の共振周波数がキュビットの周波数に近くなっているものであってよい。例えば、読み出し共振器は、読み出し共振器の周波数で制御／測定機器から来るパルスに影響を与える。このパルスは、キュビットを分解し、それを「１」又は「０」の状態に崩壊させる測定として機能し、それによってその測定パルスに位相シフトを伝える。

キュビットの間には、結合共振器（本明細書では、結合共振器又はＲＩＰバスと称する場合がある）があり得、量子論理ゲートを実現するために、異なるキュビットを一緒に結合させることができる。結合共振器は典型的に、読み出し共振器と構造的に同様である。しかしながら、より複雑な設計が可能である。キュビットがトランスモンとして実装される場合、結合共振器の各側面は、キュビット（例えば、そのコンデンサ）に適切に近接することによって、対応するキュビットに（例えば、容量的又は誘導的に）結合される。結合共振器の各側面はそれぞれ異なるキュビットと結合しているため、２つのキュビットは結合共振器を介して共に結合される。このように、結合したキュビット間の状態に相互依存性があるため、結合共振器では、あるキュビットの状態を使用して別のキュビットの状態を制御することが可能になる。もつれは、２つのキュビットの間の相互作用が、２つのキュビットの状態を独立して特定することができず、システム全体としてのみ特定できるような場合に発生する。このように、２つのキュビットの状態が一緒に連結され、それにより、片方のキュビットの測定が、もう片方のキュビットの状態を崩壊させる。

一般に、超伝導キュビットは、温度を下げると、例えば、残留する熱励起状態のキュビット集団が減少し、キュビット転移周波数の熱的広がりが減少することによって、性能が向上する。したがって、温度が低いほど、超伝導量子プロセッサに対して有利になる。そのため、超伝導キュビットは極低温環境に収容される。

一方、トラップイオンは、低温の極低温環境である希釈冷凍機では一般的に動作しない。一般的なトラップイオンセットアップでは、超高真空チャンバ又は小型のヘリウム－４クライオスタット内において室温で動作する。～４Ｋでトラップイオンは、イオン種に依存せず、室温でトラップイオンよりもコヒーレンス及びゲートフィデリティの点で優れた性能を示すことが知られている。イオンの準備は、一般的に、原子源材料をオーブンで加熱し、その後、光電離することによって実行される。

トラップイオン量子コンピュータは、電磁場を使用してイオン又は荷電原子粒子を自由空間に閉じ込め、浮遊させることができる量子コンピュータのことである。キュビットは、各イオンの安定した電子状態に格納することができる。レーザビームを照射することで、共有トラップ内のイオンの集団量子化運動を通じて、そこからの量子情報を転送することができる。イオンはレーザで冷却することができる。１つの実施形態において、超高真空にトラップイオンは、その環境との相互作用が弱く、磁場を用いて容易に方向付けることができる。超伝導キュビットは高速なゲートを提供し、量子プロセッサにおけるものなどの高速処理に適している。

ハイブリッドアーキテクチャでトラップイオンと超伝導キュビットとの両方の利点のうちのいくつかを活用することで、量子プロセッサのネットワークを開発することができることが認識されている。両方のキュビットの実施形態を１つの実験セットアップ内に組み合わせることは、ＧＨｚから光と、テラヘルツ周波数との間の周波数変換の優れたテストベッドとして利用できる。それに応じて、本明細書の教示は、共通の希釈冷凍機において両方の技術を調和させる方法及びシステムを提供する。

１つの態様において、本明細書の教示は、トラップイオン又は超伝導キュビットに関するかどうかにかかわらず、コンピューティング素子と相互作用するための従来の集積回路技術を超伝導量子回路に直接的に適用しても、古典的コンピューティングアーキテクチャでは提示されないトラップイオン及び量子回路が示す独自の課題のために有効ではない場合があるという出願人の洞察に基づいている。それに応じて、本開示の実施形態は、超伝導量子回路及びイオントラップの構築、及び、特に、両方のタイプのキュビットと効率的に相互作用するために使用される方法及びアーキテクチャの選択に対する従来の集積回路技術の適用可能性を評価する際に、量子回路の独自の問題が考慮されているとの認識にさらに基づいている。
例示的なアーキテクチャ

図１は、例示的な実施形態と一致する、量子コンピューティングシステムの例示的なアーキテクチャ１００を示す図である。アーキテクチャ１００は、希釈冷凍機１１０であり得る、冷凍ユニットのネストされたチャンバ１２０のうちの１つ内にあるトラップイオン（すなわち、キュビット）１１２及び超伝導キュビット１１４を含む量子プロセッサを備える。希釈冷凍機は、典型的に約１０ｍＫの温度への連続冷却を提供する極低温デバイスである。アーキテクチャ１００の物理ボリュームの多くは冷凍ユニット１１０の大きなサイズに起因する。システムが動作する絶対零度に近い温度に到達するために、冷凍ユニット１１０は、Ｈｅ３－Ｈ４の混合物を冷却剤として使用し得る。１つの実施形態において、超伝導キュビット１１２は、共通チャンバ１２０においてさらにネストされたチャンバ１２２内にあり、それによって、超伝導キュビットの温度はトラップイオン１１２の温度よりも低いことが可能になる。以下でより詳細に説明されるように、希釈冷凍機１１０のネストされたチャンバ２０２から２１２の各々は、温度が徐々に低くなる環境を提供する。

１つの実施形態において、冷凍ユニット１１０の外部にある測定及び制御ユニット１３０がある。測定及び制御ユニット１３０は、希釈冷凍機の最低温度段階から外部へ測定及び制御ユニットまで伸びる複数のマイクロ波搬送同軸ケーブルとＤＣ制御線とを介して、量子コンピューティングシステムと通信することが可能である。１本の線が示されているが、これはただ１本のワイヤではなく、イオントラップのセットアップと超伝導量子ビットのセットアップとの両方のための複数のコネクタを表していることが理解されるであろう。様々な実施形態において、コネクタは、マイクロ波、ＤＣ、光ファイバという複数のタイプがある。

イオントラップ制御のため、コールドプレートから希釈冷凍機の外部まで伸びる一連の光ファイバが追加される。同軸ケーブルと光ファイバとの両方は、環境大気圧と動作中のクライオスタットの真空圧とを分離させる冷凍機の上部で密封される。

本明細書の教示は、メモリノードを有する量子プロセッサのネットワーク、及びＴＨｚ光通信とＧＨｚ通信領域との間の量子変換並びに量子コンピューティング応用を含むが、これに限定されない様々な応用に適用可能である。
例示的なブロック図

図２は、例示的な実施形態と一致する、共通の希釈冷凍機に超伝導量子コンピュータ及びイオントラッピング量子コンピュータを含むハイブリッドセットアップ２００のアーキテクチャを示す図である。ハイブリッドアーキテクチャ２００は、希釈冷凍機であり得る冷凍環境にある。冷凍環境は複数のネストされたチャンバ２０４、２０６、２０８、２１０及び２１２を含み、それぞれが、希釈冷凍機２００外部の室温２０１から、混合チャンバ２１２内の約１０から２０ｍＫまでの温度が徐々に低くなる環境を提供する。

１つの実施形態において、外部真空シールド２０２がある。ネストされたチャンバ２０４から２１２を収容する外部真空シールド２０２は本明細書において、第１チャンバと称される場合がある。第２チャンバ２０４は５０Ｋのシールドであり、それによって、その内容を約４０～５０Ｋに保っている。第３チャンバ２０６は４Ｋのシールドであり、それによって、その内容を約３．５～４Ｋに保っている。第４チャンバ２０８は、約７００～８００ｍＫにある静止シールド／チャンバを含む。第５チャンバ２１０は、約１００ｍＫにあるコールドプレート（ＣＰ）フランジ２２０を含む。

第５チャンバ２１０は、イオントラップ２２４と、イオンのための検出システムとを含む。検出システムは、マイクロメートルの精度で移動を制御するＸＹＺポジショナに設置された１つ又は複数の光ファイバ２２６であることができる。イオントラップ２２４は、希釈冷凍機のコールドプレートフランジに設置される。１つの実施形態において、イオントラップ２２４及び光ファイバ２２６は、本明細書においてＣｕ缶と称される場合がある、超導電性材料でコーティングされた補助銅（Ｃｕ）シールド２２２内にある。イオン検出は、コールドプレートの温度で第５チャンバ２１０内において実行される。超伝導キュビットは、混合プレートに熱運動化され、本明細書で混合チャンバと称される場合がある第６チャンバ２１２内にホストされる。第５チャンバ２１０は、ネストされた混合チャンバ２１２の温度より高い温度にある。１つの実施形態において、イオン検出は、イオントラップ２２４の下方位置にある光ファイバ２２６を介して実行される。様々な実施形態において、イオン検出を実行するイオントラップは、～１００ｍＫで第５チャンバ２１０、又は第６（すなわち、混合）チャンバ２１２のコールドプレートに固定され得る。別の実施形態において、イオントラップ２２４はＣＰ静止フランジ２２０に固定され得る。

イオンは静止フランジ２２０から生成し、イオントラップ２２４へ蒸発される。１つの実施形態において、本明細書においてＣｕ缶と称される場合がある銅（Ｃｕ）シールド２２２があり、これはイオントラップ２２４の周囲にある。Ｃｕシールド２２２は熱と放射線とを遮蔽するように構成されている。Ｃｕシールド２２２は、配線（例えば、光ファイバ及びイオンビーム入射口、ＤＣなど）のための穴を含み得る。１つの実施形態において、Ｃｕシールドは超電導層でコーティングされ得る。様々な実施形態において、Ｃｕシールド２２２はコールドプレートシールド及び静止シールドに設置されることができる。

イオン蒸発オーブンは、冷却力がより高い静止フランジ２２０又は４Ｋのフランジに固定され得る。イオンは、毛細管を通してトラップ領域（イオントラップ２２４）へ導かれる。レーザビームは、光ファイバ２２６又は自由空間を使用してイオントラップ２２４に向けて集光し、イオンキュビットの制御及び検出を行うことができる。イオンを閉じ込めるための均一な磁場は、超導電性材料で製造され、２２２Ｃｕシールド内のイオントラップの周囲に固定されたヘルムホルツコイルで作成される。１つの実施形態において、セットアップのイオン検出部分の移動に極低温ポジショナを使用することができ、その場合、光ファイバ又は他の検出の実施形態は、マイクロメートルサイズの精度で水平ｘ、ｙ又は垂直ｚに精密移動を可能にすることができる極低温ポジショナに設置されることになる。イオントラップの下方の近接位置に検出セットアップがあることで、イオン検出効率を大幅に向上させることになる。別の実施形態では、１００～３００ｍＫの温度で動作する高効率の単一光子検出器を検出することに使用することができる。検出器のいくつかのタイプとしては、極低温ナノワイヤ検出器、転移端センサ又は動的インダクタンス検出器（ｋｉｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）がある。これらのタイプの検出器は、コールドプレートの下に設置され、混合プレートの上部に固定されることができ、又はコールドプレートから垂れ下がったブラケットに設置されることができる。

上述したように、第６（混合）チャンバ２１２は、超伝導キュビット及び関連付けられたマイクロ波制御／フィルタリング回路を収容する。１つの実施形態において、第６チャンバ２１２内のキュビット２３４は、ボックス２３０及び２３２で表される超伝導キュビット２３４の方向性結合器、フィルタ、アイソレータ、減衰器、循環器、増幅器、及び他のサポート回路のようなマイクロ波制御用の他のコンポーネントに結合される。セットアップのアーキテクチャ２００は、超伝導キュビット量子プロセッサが低温チャンバ２１２で維持され、イオントラップ２２４からの可能な有害放射線から離れている点でモジュール式である。

図２のハイブリッドアーキテクチャ２００において、（キュビット２３４及びサポート回路２３０及び２３２で表される）超伝導キュビット量子コンピュータと、（イオントラップ２２４及び光ファイバ２２６で表される）イオントラッピング量子コンピュータとの両方は、同じ極低温環境（例えば、チャンバ２０８）で制御され、機能することができる。上述したように、より低い温度（例えば、＜１Ｋ）での極低温のイオントラップセットアップは、より高い忠実度と量子効率とを持つゲートで長寿命のキュビットを生成することができる。アーキテクチャ２００は、イオントラップ２２４の近傍に超伝導キュビット２３４を配置することにより、より高い効率で直接イオンキュビット検出（光ファイバ２２６を介して）を提供する。１つの実施形態において、検出された光子は周波数変換セットアップに向けられ、例えば同じアーキテクチャ内で超伝導キュビットの制御に使用できるマイクロ波放射に変換され得る。
例示的なプロセス

例示的なアーキテクチャの前述の概要により、ここで例示的なプロセスの高レベルの議論を検討することが有用であり得る。そのために、図３は、同じ希釈冷凍機における超伝導キュビット及びトラップイオンシステムの統合に関連する例示的なプロセスを提示する。

ブロック３０２において、希釈冷凍機には複数のチャンバが提供される。これらのチャンバの各々はネストされ、ここで、ネストが深くなるにつれて温度が徐々に低くなっている。

ブロック３０４において、キュビットの第１セットを含むトラップイオンコンピューティングデバイスは、希釈冷凍機の複数のチャンバのうちの所定のチャンバに収容される。

ブロック３０６において、超伝導キュビットの第２セットを含む超伝導コンピューティングデバイスは、希釈冷凍機の複数のチャンバのうちの所定のチャンバ内に配置される。超伝導コンピューティングデバイスを同じ希釈冷凍機内でトラップイオンコンピューティングデバイスに近接配置することによって、ハイブリッドアーキテクチャを量子コンピューティング及び通信アプリケーションのために開発することができる。
結論

本教示の様々な実施形態の説明は、例示の目的で提示され、包括的である、又は、開示される実施形態に限定される意図はない。説明した実施形態の範囲及び趣旨から逸脱することなく、多くの修正及び変形が、当業者には明らかであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、実際の適用例、若しくは市場で見られる技術を超える技術的な改良を最もよく説明するように、又は本明細書で開示される実施形態を当業者が理解することが可能になるように選択されたものである。

上記では最良の状態又は他の例或いはその両方であると考えられるものについて説明したが、その中で様々な修正を加えることができること、本明細書に開示された主題が様々な形式及び例で実施され得ること、及び教示を多くの用途に適用することができ、本明細書にはその用途の一部のみが記載されていることが理解される。以下の特許請求の範囲は、本教示の真の範囲内にあるあらゆる用途、修正、及び変形を特許請求することを意図している。

本明細書で説明したコンポーネント、ステップ、特徴、対象物、利益、及び利点は、単なる例示にすぎない。それらのいずれも、それらに関連する説明も、保護の範囲を制限することを意図したものではない。本明細書において様々な利点を説明してきたが、全ての実施形態が必ずしも全ての利点を含むわけではないことが理解されよう。特に明記しない限り、以下の特許請求の範囲を含め、本明細書に記載されている全ての測定値、値、定格、位置、大きさ、サイズ、及び他の仕様は概算であり、正確ではない。それらは、それらが関連する機能及びそれらが関連する技術分野において慣習的であるものと一致する合理的な範囲を有することを意図している。

他の多くの実施形態もまた企図される。他の実施形態には、より少ない、追加の、又は異なる、或いはその組合せのコンポーネント、段階、特徴、対象物、利益、及び利点を有する実施形態が含まれる。他の実施形態には、コンポーネント又はステップ或いはその両方が、別々に構成されるか、又は順序付けされるか、或いはその両方である実施形態も含まれる。

本開示の態様は、本開示の実施形態に係る方法、装置（システム）、及びコンピュータプログラム製品のフローチャート図若しくはブロック図又はその組み合わせを参照しながら本明細書で説明される。フローチャート図若しくはブロック図又はその両方の各ブロックと、フローチャート図若しくはブロック図又はその両方のブロックの組み合わせとは、コンピュータ可読プログラム命令により実装され得ることが解るであろう。

これらのコンピュータ可読プログラム命令は、機械を作成するために、適正化されたコンピュータ、専用コンピュータ、又は、他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサに提供され得る。それにより、コンピュータ又は他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサを介して実行する命令は、フローチャート若しくはブロック図又はその組み合わせのブロック又は複数のブロックにおいて指定される機能／行動を実装するための手段を形成する。これらのコンピュータ可読プログラム命令はまた、コンピュータ、プログラマブルデータ処理装置、若しくは他のデバイス又はその組み合わせに、特定の方式で機能するよう指示できるコンピュータ可読記憶媒体に保存され得る。それにより、命令を保存したコンピュータ可読記憶媒体は、フローチャート若しくはブロック図又はその組み合わせのブロック又は複数のブロックにおいて指定された機能／行動の態様を実装する命令を含む、製品を含む。

コンピュータ可読プログラム命令はまた、コンピュータ、他のプログラマブル装置、又は他のデバイス上で一連の動作ステップを実行させてコンピュータ実装プロセスを生成するように、コンピュータ、他のプログラマブルデータ処理装置、又は他のデバイス上にロードされ得、その結果、コンピュータ、他のプログラマブル装置、又は他のデバイス上で実行する命令は、フローチャート若しくはブロック図又はその組み合わせの単数又は複数のブロックで指定された機能／動作を実装する。

本明細書の図面内のコールフロー、フローチャート及びブロック図は、本開示の様々な実施形態によるシステム、方法及びコンピュータプログラム製品の考えられる実装のアーキテクチャ、機能及び動作を示す。これに関して、フローチャート又はブロック図における各ブロックは、指定される論理機能を実装する１つ又は複数の実行可能命令を含む命令のモジュール、セグメント、又は部分を表し得る。幾つかの代替的な実装において、ブロックに記す機能は、図に記す順序とは異なる順序で行われてもよい。例えば、連続して示されている２つのブロックは、実際には、実質的に同時に実行されてもよいし、ブロックは、関与する機能に依存して逆の順序で実行される場合もあり得る。ブロック図若しくはフローチャート図又はその両方の各ブロック、並びに、ブロック図若しくはフローチャート図又はその両方におけるブロックの組み合わせが、指定された機能又は動作を実行するか、又は特殊目的ハードウェアとコンピュータ命令との組み合わせを実行する、特殊目的ハードウェアベースシステムにより実装され得ることにも気付くであろう。

前述の内容を例示的な実施形態と併せて説明してきたが、「例示的」という用語は、最良又は最適ではなく単なる例を意味するものであることが理解される。すぐ上に述べた場合を除き、記載又は図示されているものは、特許請求の範囲に記載されているかどうかにかかわらず、コンポーネント、ステップ、特徴、対象物、利益、利点、又は均等物を公衆へ提供することを意図するものではなく、そのように解釈されるべきではない。

本明細書で使用される用語及び表現は、本明細書に特定の意味について別段の記載がある場合を除いて、対応するそれぞれの調査及び研究の分野に関してそのような用語及び表現に与えられる通常の意味を有することが理解されよう。第１及び第２などの関係語は、あるエンティティ又はアクションを、そのエンティティ間又はアクション間の実際の関係性若しくは順序を必ずしも要求又は暗示することなく、別のエンティティ又はアクションと区別するためにのみ使用されることがある。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語、又はそれらの他の変形は、要素のリストを含むプロセス、方法、物品、又は装置が、それらの要素だけを含むのではなく、そのようなプロセス、方法、物品、又は装置に固有ではない、又は明示的に記載されていない他の要素を含み得るように、非排他的な包含を対象とすることを意図している。「ａ」又は「ａｎ」が先行する要素は、さらなる制約がない場合、その要素を含むプロセス、方法、物品、又は装置における追加の同一の要素の存在を排除するものではない。

読者が技術的開示の性質を迅速に確認できるようにするために、本開示の要約書が提供されている。要約書は、特許請求の範囲の範囲又は意味を解釈又は限定するためには使用されないとの理解に基づいて提出されるものである。また、前述の発明を実施するための形態では、本開示を合理化する目的で、様々な実施形態において様々な特徴がともにグループ化されていることが分かる。この開示方法は、特許請求された実施形態が各請求項に明示的に記載されているよりも多くの特徴を有するという意図を反映していると解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が表しているように、発明の主題は、開示された単一の実施形態の全ての特徴より少ないところにある。したがって、以下の特許請求の範囲は、ここで発明を実施するための形態に組み込まれ、各請求項は別個に特許請求される主題として独立している。

Claims

複数のチャンバを有する希釈冷凍機；
前記希釈冷凍機の前記複数のチャンバのうちの所定のチャンバにキュビットの第１セットを有するトラップイオンコンピューティングデバイス；及び
前記希釈冷凍機の前記複数のチャンバのうちの前記所定のチャンバ内に超伝導キュビットの第２セットを有する超伝導コンピューティングデバイス
を備える量子コンピューティングシステム。
前記超伝導キュビットの第２セットは、前記複数のチャンバのうちの前記所定のチャンバ内にネストされた混合チャンバにある、請求項１に記載の量子コンピューティングシステム。
前記混合チャンバは前記所定のチャンバより低い温度にある、請求項２に記載の量子コンピューティングシステム。
前記混合チャンバは１０～２０ｍＫにあり、
前記所定のチャンバは１００ｍＫにある、請求項３に記載の量子コンピューティングシステム。
前記混合チャンバは、前記超伝導キュビットの第２セットに結合された、フィルタ、若しくはアイソレータ、又はその組み合わせをさらに含む、請求項３または４に記載の量子コンピューティングシステム。
前記複数のチャンバはネストされ、
外部真空シールド；
前記外部真空シールドにネストされた第２チャンバ；
前記第２チャンバにネストされた第３チャンバ；
前記第３チャンバにネストされた第４チャンバ；
前記所定のチャンバに対応し、前記第４チャンバにネストされた第５チャンバ；及び
前記混合チャンバに対応する第６チャンバ
を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の量子コンピューティングシステム。
前記外部真空シールドは、約３００Ｋのシールドであり；
前記第２チャンバは約５０Ｋのシールドであり；
前記第３チャンバは約４Ｋのシールドであり；
前記第４チャンバは約７００～８００ｍＫのシールドであり；
前記第５チャンバは約１００ｍＫのシールドであり；及び
前記第６チャンバは約１０～２０ｍＫのシールドである、
請求項１から６のいずれか一項に記載の量子コンピューティングシステム。
前記所定のチャンバは、前記トラップイオンコンピューティングデバイスのイオントラップに結合された１つ又は複数の光ファイバを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の量子コンピューティングシステム。
前記トラップイオンコンピューティングデバイスは銅（Ｃｕ）缶に収容される、請求項８に記載の量子コンピューティングシステム。
前記Ｃｕ缶は、熱及び放射線を遮蔽するように構成されており、光ファイバ及びイオンビーム入射口のための１つ又は複数の穴を含む、請求項９に記載の量子コンピューティングシステム。
前記イオントラップは、前記第３チャンバ内の静止フランジに固定される、請求項８から１０のいずれか一項に記載の量子コンピューティングシステム。
前記静止フランジは７００～８００ｍＫにある、請求項１１に記載の量子コンピューティングシステム。
前記イオントラップは４Ｋのフランジに固定される、請求項８から１２のいずれか一項に記載の量子コンピューティングシステム。
前記イオントラップは前記第５チャンバのコールドプレートに固定される、請求項８から１３のいずれか一項に記載の量子コンピューティングシステム。
複数のチャンバを有する希釈冷凍機を提供する段階；
前記希釈冷凍機の前記複数のチャンバのうちの所定のチャンバにキュビットの第１セットを有するトラップイオンコンピューティングデバイスを収容する段階；及び
前記希釈冷凍機の前記複数のチャンバのうちの前記所定のチャンバ内の超伝導キュビットの第２セットを有する超伝導コンピューティングデバイスを提供する段階
を備える方法。
前記複数のチャンバのうちの前記所定のチャンバ内にネストされた混合チャンバに前記超伝導キュビットの第２セットを収容する段階をさらに備える、請求項１５に記載の方法。
前記混合チャンバを前記所定のチャンバより低い温度で動作させる段階をさらに備える、請求項１６に記載の方法。
約３００Ｋで前記希釈冷凍機の外部真空シールドを提供する段階；
約５０Ｋのシールドを有する前記複数のチャンバの第２チャンバを動作させる段階；
約４Ｋのシールドを有する前記複数のチャンバの第３チャンバを動作させる段階；
約７００～８００ｍＫのシールドを有する前記複数のチャンバの第４チャンバを動作させる段階；
約１００ｍＫのコールドプレートシールドを有する前記複数のチャンバの第５チャンバを動作させる段階；及び
約１０～２０ｍＫのシールドを有する前記複数のチャンバの第６チャンバを動作させる段階
をさらに備える、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
光ファイバを前記所定のチャンバ内の前記トラップイオンコンピューティングデバイスのイオントラップに結合する段階をさらに備える、請求項１５から１８のいずれか一項に記載の方法。
前記トラップイオンコンピューティングデバイスを銅（Ｃｕ）缶に収容する段階；
前記Ｃｕ缶を、熱及び放射線を遮蔽するように構成する段階；及び
光ファイバ及びイオンビーム入射口のための１つ又は複数の穴を提供する段階
をさらに備える、請求項１９に記載の方法。