JP3456568B2 - 量子演算素子の読み出し方法 - Google Patents
量子演算素子の読み出し方法Info
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- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
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- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
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- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低容量のジョセフ
ソン結合システムに関係する量子計算機に用いる量子演
算素子の読み出し方法に関する。
ソン結合システムに関係する量子計算機に用いる量子演
算素子の読み出し方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】量子計算機（Quantum Computer）は、例
えば大きな自然数素因数分解など、従来の古典的計算機
では計算量が莫大になって、事実上解くことのできなか
った問題を解くことができるものとして、理論的に提案
されている（文献：エス・アイ・エイ・エム ジャーナ
ル・オブ・コンピューティング 第２６巻、１４８４ペ
ージ（SIAM Journal of Computing, Vol.26, p.1484 (1
997))）。
えば大きな自然数素因数分解など、従来の古典的計算機
では計算量が莫大になって、事実上解くことのできなか
った問題を解くことができるものとして、理論的に提案
されている（文献：エス・アイ・エイ・エム ジャーナ
ル・オブ・コンピューティング 第２６巻、１４８４ペ
ージ（SIAM Journal of Computing, Vol.26, p.1484 (1
997))）。
【０００３】この量子計算機では、古典的計算機でのビ
ットに対応するものとして、量子ビットと呼ばれる量子
２準位系が用いられる。演算を行なうにあたっては、量
子ビット群に対してユニタリー変換操作が行なわれ、演
算終了後に量子ビットの読み出しが行われる。量子ビッ
トとしての量子２準位系として、超伝導量子演算素子を
用いることができる。
ットに対応するものとして、量子ビットと呼ばれる量子
２準位系が用いられる。演算を行なうにあたっては、量
子ビット群に対してユニタリー変換操作が行なわれ、演
算終了後に量子ビットの読み出しが行われる。量子ビッ
トとしての量子２準位系として、超伝導量子演算素子を
用いることができる。
【０００４】従来、この種の超伝導量子演算素子は、例
えば文献１９９８年８月６日、ロスアラモス・プレプリ
ントサーバー（http://xxx.lanl.gov/）cond-mat/98080
67及び１９９８年６月１５日、フィジカル・レビュー・
ビー第５７巻１５４００ページ（Physical Review B, V
ol.57, p.15400(1998)）に示されるように、量子計算を
行なうために用いられている。
えば文献１９９８年８月６日、ロスアラモス・プレプリ
ントサーバー（http://xxx.lanl.gov/）cond-mat/98080
67及び１９９８年６月１５日、フィジカル・レビュー・
ビー第５７巻１５４００ページ（Physical Review B, V
ol.57, p.15400(1998)）に示されるように、量子計算を
行なうために用いられている。
【０００５】図５は従来の超伝導量子演算素子の一例を
示す回路図である。超伝導箱電極５０１中の余剰クーパ
ー対数が、帯電効果により０または１に制限され、かつ
その２つの状態は、トンネルバリア５０４を介した超伝
導対向電極５０２との間のクーパー対のトンネリングに
よって、コヒーレントに結合している。これが量子ビッ
トとして機能する。ゲート電極５０３に印加されたゲー
ト電圧が、ゲート容量５０５を介して箱電極５０１に作
用し、複数列の超伝導箱電極５０１中の余剰クーパー対
数が一括して量子ビットに対する演算を行なうことにな
る。
示す回路図である。超伝導箱電極５０１中の余剰クーパ
ー対数が、帯電効果により０または１に制限され、かつ
その２つの状態は、トンネルバリア５０４を介した超伝
導対向電極５０２との間のクーパー対のトンネリングに
よって、コヒーレントに結合している。これが量子ビッ
トとして機能する。ゲート電極５０３に印加されたゲー
ト電圧が、ゲート容量５０５を介して箱電極５０１に作
用し、複数列の超伝導箱電極５０１中の余剰クーパー対
数が一括して量子ビットに対する演算を行なうことにな
る。
【０００６】図中、点線より右側は、量子ビットの状態
を読み出す読み出し回路である。読み出し回路は、単一
電子トランジスタで構成されている。量子ビット内の電
荷数の状態を、読み出し容量５０６を介して、島電極５
０７に伝送され、島電極５０７とトンネルバリア５１１
を介して接続されたソース電極５０８、ドレイン電極５
０９の間に流れる電流値の変化として読み出す。また、
島電極５０７の量子ビット内の電荷はゲート電極５１０
からゲート容量５１２を介して所定電界が印加され、ド
レイン電極５０９の電流を制御する。上記説明では、１
ビットの量子演算回路を例に説明したが、これを並列に
配置し、各量子ビットの対向電極をインダクタンスを介
して結合することにより、任意の２つの量子ビットを互
いに相互作用させることが可能になり、多ビット間の任
意の量子演算が可能になる（文献１９９８年８月６日、
ロスアラモスプレプリントサーバー（http://xxx.lanl.
gov/)cond-mat/9808067を参照）。
を読み出す読み出し回路である。読み出し回路は、単一
電子トランジスタで構成されている。量子ビット内の電
荷数の状態を、読み出し容量５０６を介して、島電極５
０７に伝送され、島電極５０７とトンネルバリア５１１
を介して接続されたソース電極５０８、ドレイン電極５
０９の間に流れる電流値の変化として読み出す。また、
島電極５０７の量子ビット内の電荷はゲート電極５１０
からゲート容量５１２を介して所定電界が印加され、ド
レイン電極５０９の電流を制御する。上記説明では、１
ビットの量子演算回路を例に説明したが、これを並列に
配置し、各量子ビットの対向電極をインダクタンスを介
して結合することにより、任意の２つの量子ビットを互
いに相互作用させることが可能になり、多ビット間の任
意の量子演算が可能になる（文献１９９８年８月６日、
ロスアラモスプレプリントサーバー（http://xxx.lanl.
gov/)cond-mat/9808067を参照）。
【０００７】なお、ここで、クーパー対（Cooper Pai
r）とは通常の金属で電子間には弱いクーロン反発力し
か働かず、個々の電子は独立に運動しているが、電子間
に僅かでも引力的な相互作用が働くと、個々の電子が自
由に運動するよりも、大きさが同じで向きが反対の運動
量を持った二つの電子が対を作ったほうがエネルギーが
低くなることから、この電子の対をクーパー対と称して
いる。クーパー対となって得をするエネルギーが、熱擾
乱のエネルギーを上回ると、多くの電子が対状態となっ
て一つのエネルギー状態に凝縮し、この状態を超伝導状
態となる。また、完全反磁性（マイスナー効果）の現象
は、凝縮したクーパー対が全て同じ位相をもち、その全
体を一つの波動関数で記述できることから説明されてい
る。
r）とは通常の金属で電子間には弱いクーロン反発力し
か働かず、個々の電子は独立に運動しているが、電子間
に僅かでも引力的な相互作用が働くと、個々の電子が自
由に運動するよりも、大きさが同じで向きが反対の運動
量を持った二つの電子が対を作ったほうがエネルギーが
低くなることから、この電子の対をクーパー対と称して
いる。クーパー対となって得をするエネルギーが、熱擾
乱のエネルギーを上回ると、多くの電子が対状態となっ
て一つのエネルギー状態に凝縮し、この状態を超伝導状
態となる。また、完全反磁性（マイスナー効果）の現象
は、凝縮したクーパー対が全て同じ位相をもち、その全
体を一つの波動関数で記述できることから説明されてい
る。
【０００８】また、上述の図５において、対向電極５０
２と超伝導箱電極５０１とゲート電極５０３とで、単一
電子トンネリング（Single-Electron Tunneling）・ト
ランジスタを構成し、この単一電子トンネリング（ＳＥ
Ｔ）・トランジスタを複数列設けて読み出し容量５０６
によって演算結果とし、演算結果を読み出しトランジス
タのソース電極５０８と、ドレイン電極５０９と、ゲー
ト電極５１０から読み出される。
２と超伝導箱電極５０１とゲート電極５０３とで、単一
電子トンネリング（Single-Electron Tunneling）・ト
ランジスタを構成し、この単一電子トンネリング（ＳＥ
Ｔ）・トランジスタを複数列設けて読み出し容量５０６
によって演算結果とし、演算結果を読み出しトランジス
タのソース電極５０８と、ドレイン電極５０９と、ゲー
ト電極５１０から読み出される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来の超伝導量子演算
素子では、演算結果を量子ビットから読み出す際に、高
速かつ複雑な操作と、外部への高速信号の取り出しの必
要があった。また多数の配線が必要であった。単一電子
トランジスタを流れる電流は量子ビット側へ雑音として
の作用を与えてしまうため、量子演算中には、ソース・
ドレイン間の電圧を０にして、電流が流れないようにす
る必要がある。
素子では、演算結果を量子ビットから読み出す際に、高
速かつ複雑な操作と、外部への高速信号の取り出しの必
要があった。また多数の配線が必要であった。単一電子
トランジスタを流れる電流は量子ビット側へ雑音として
の作用を与えてしまうため、量子演算中には、ソース・
ドレイン間の電圧を０にして、電流が流れないようにす
る必要がある。
【００１０】そのため、演算終了後にステップ関数的に
ソース・ドレイン電圧をかける必要がある。しかも島電
極５０７の電位が、量子ビットの状態に及ぼす影響を考
えると、ソース電圧とドレイン電圧は大きさが等しく符
号が反対でなくてはならない。また単一電子トランジス
タの動作点を調整するために、ゲート電極５１０には調
整用の電圧を加える必要がある。
ソース・ドレイン電圧をかける必要がある。しかも島電
極５０７の電位が、量子ビットの状態に及ぼす影響を考
えると、ソース電圧とドレイン電圧は大きさが等しく符
号が反対でなくてはならない。また単一電子トランジス
タの動作点を調整するために、ゲート電極５１０には調
整用の電圧を加える必要がある。
【００１１】さらに、読み出し動作中には読み出し回路
の反作用により、量子ビットの状態が徐々に失われてし
まうため、読み出しはその前に迅速に行なう必要があ
る。ところが単一電子トランジスタのソースドレイン抵
抗は１００ｋΩ程度と大きく、５０Ωの伝送線路とのイ
ンピーダンス整合を取る必要があり、回路構成が複雑に
なる。
の反作用により、量子ビットの状態が徐々に失われてし
まうため、読み出しはその前に迅速に行なう必要があ
る。ところが単一電子トランジスタのソースドレイン抵
抗は１００ｋΩ程度と大きく、５０Ωの伝送線路とのイ
ンピーダンス整合を取る必要があり、回路構成が複雑に
なる。
【００１２】本発明は、上述した量子演算素子の構成及
び動作上の簡単な調整と簡単な回路構成を提供し、高速
の電圧操作や高速信号の取り出しが不要になり、演算結
果の読み出しを簡単にすることを課題とする。
び動作上の簡単な調整と簡単な回路構成を提供し、高速
の電圧操作や高速信号の取り出しが不要になり、演算結
果の読み出しを簡単にすることを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、量子箱電極と
対向電極が第一のトンネルバリアを挟んで結合した量子
ビット構造、および、その量子箱電極と静電容量を介し
て結合したゲート電極、および、その量子箱電極と第二
のトンネルバリアを介して結合したプローブ電極とを含
み、量子ビットにおける第一のトンネルバリアを介した
コヒーレント振動時間が第二のトンネルバリアを介した
キャリアトンネル緩和時間より短くすることを特徴とす
る。また、第一のトンネルバリアの厚さが第二のトンネ
ルバリアの厚さより薄いことを特徴とする。また、第一
のトンネルバリアの面積が第二のトンネルバリアの面積
より広いことを特徴とする。
対向電極が第一のトンネルバリアを挟んで結合した量子
ビット構造、および、その量子箱電極と静電容量を介し
て結合したゲート電極、および、その量子箱電極と第二
のトンネルバリアを介して結合したプローブ電極とを含
み、量子ビットにおける第一のトンネルバリアを介した
コヒーレント振動時間が第二のトンネルバリアを介した
キャリアトンネル緩和時間より短くすることを特徴とす
る。また、第一のトンネルバリアの厚さが第二のトンネ
ルバリアの厚さより薄いことを特徴とする。また、第一
のトンネルバリアの面積が第二のトンネルバリアの面積
より広いことを特徴とする。
【００１４】また、本発明は、量子箱電極、対向電極が
超伝導体で構成され、あるいは、対向電極の超伝導ギャ
ップエネルギーが量子箱電極の超伝導ギャップエネルギ
ーより大きい量子演算子に関する技術を提供し、更にそ
の量子演算子の第二のトンネルバリア実現において、第
一のトンネルバリア形成工程で設けたトンネルバリア膜
に選択的にトンネルバリア膜を重ねる量子演算子の製造
方法に関する技術を提供する。
超伝導体で構成され、あるいは、対向電極の超伝導ギャ
ップエネルギーが量子箱電極の超伝導ギャップエネルギ
ーより大きい量子演算子に関する技術を提供し、更にそ
の量子演算子の第二のトンネルバリア実現において、第
一のトンネルバリア形成工程で設けたトンネルバリア膜
に選択的にトンネルバリア膜を重ねる量子演算子の製造
方法に関する技術を提供する。
【００１５】そのため、本発明によれば、量子箱電極と
対向電極、あるいは超伝導箱電極と超伝導対向電極によ
って形成された量子ビットを、ゲート電極に印加される
ゲート電圧で制御し、量子ビットにトンネルバリアを挟
んで結合されたプローブ電極によって、量子ビットの演
算後の読み出し、および演算前の初期状態の準備が可能
となる。
対向電極、あるいは超伝導箱電極と超伝導対向電極によ
って形成された量子ビットを、ゲート電極に印加される
ゲート電圧で制御し、量子ビットにトンネルバリアを挟
んで結合されたプローブ電極によって、量子ビットの演
算後の読み出し、および演算前の初期状態の準備が可能
となる。
【００１６】また、超伝導箱電極のクーパー電子対を読
み出し終了後、初期状態が自動的に準備されるため、同
じ演算を繰り返し行なうことにより、直流電流信号とし
て出力を得ることができ、読み出しが単純かつ容易にな
る。また本発明では、読み出し回路の構成が簡単にな
り、電極数を減らすことができる。
み出し終了後、初期状態が自動的に準備されるため、同
じ演算を繰り返し行なうことにより、直流電流信号とし
て出力を得ることができ、読み出しが単純かつ容易にな
る。また本発明では、読み出し回路の構成が簡単にな
り、電極数を減らすことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明による実施形態について、
図面を参照しつつ詳細に説明する。
図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１８】本発明の構成の代表例は図１のとおりであ
る。図において、１０１は低温時に超伝導状態となる超
伝導体からなる超伝導箱電極、１０２はソースともいえ
る超伝導体の対向電極、１０３は超伝導体でもよいゲー
ト電極、１０４は超伝導箱電極１０１と対向電極１０２
間の薄い薄膜からなるトンネルバリア、１０５はゲート
電極１０３と超伝導箱電極１０１間のゲート容量、１０
６はドレインとも成る超伝導体のプローブ電極、１０７
は超伝導箱電極１０１とプローブ電極１０６間のトンネ
ルバリア１０４よりは厚めのトンネルバリアである。
る。図において、１０１は低温時に超伝導状態となる超
伝導体からなる超伝導箱電極、１０２はソースともいえ
る超伝導体の対向電極、１０３は超伝導体でもよいゲー
ト電極、１０４は超伝導箱電極１０１と対向電極１０２
間の薄い薄膜からなるトンネルバリア、１０５はゲート
電極１０３と超伝導箱電極１０１間のゲート容量、１０
６はドレインとも成る超伝導体のプローブ電極、１０７
は超伝導箱電極１０１とプローブ電極１０６間のトンネ
ルバリア１０４よりは厚めのトンネルバリアである。
【００１９】また本量子演算素子を詳細に説明すれ
ば、、図１において、絶縁体基板上に形成された超伝導
体膜からなる超伝導箱電極１０１が、トンネルバリア１
０４を挟んで超伝導体薄膜からなる対向電極１０２と結
合している。上記超伝導箱電極１０１と静電容量１０５
を介してゲート電極１０３が配置され、上記超伝導箱電
極とトンネルバリア１０７を介してプローブ電極１０６
が結合している。
ば、、図１において、絶縁体基板上に形成された超伝導
体膜からなる超伝導箱電極１０１が、トンネルバリア１
０４を挟んで超伝導体薄膜からなる対向電極１０２と結
合している。上記超伝導箱電極１０１と静電容量１０５
を介してゲート電極１０３が配置され、上記超伝導箱電
極とトンネルバリア１０７を介してプローブ電極１０６
が結合している。
【００２０】また、ゲート電極１０３に印加されるゲー
ト電圧により超伝導箱電極１０１の静電ポテンシャルが
制御され、それによってトンネルバリア１０４を介した
クーパー対のトンネリングすなわち量子ビットの状態の
遷移が制御される。
ト電圧により超伝導箱電極１０１の静電ポテンシャルが
制御され、それによってトンネルバリア１０４を介した
クーパー対のトンネリングすなわち量子ビットの状態の
遷移が制御される。
【００２１】また、プローブ電極１０６は正にバイアス
されており、超伝導箱電極１０１に余剰クーパー対が存
在するときのみトンネルバリア１０７を介した２つの準
粒子トンネリングによって、２電子を引き出し、量子ビ
ットの状態の観測をおこなう。
されており、超伝導箱電極１０１に余剰クーパー対が存
在するときのみトンネルバリア１０７を介した２つの準
粒子トンネリングによって、２電子を引き出し、量子ビ
ットの状態の観測をおこなう。
【００２２】ここで、準粒子とは、超伝導状態にある金
属で、多くの電子がクーパー対を形成し、一つのエネル
ギー状態に凝縮しているが、クーパー対は格子振動や、
外部からの光照射により一定以上のエネルギーを受け
て、二つの電子に分離する。その状態の電子を自由電子
状態とは異なっているので、準粒子と称している。この
場合、二つの電極を共に超伝導体としたトンネル接合で
は、両超伝導電極のギャップエネルギーの和に対応した
電圧で、準粒子電流が急激に増大し、電流・電圧特性に
強い非線形性が現れる。
属で、多くの電子がクーパー対を形成し、一つのエネル
ギー状態に凝縮しているが、クーパー対は格子振動や、
外部からの光照射により一定以上のエネルギーを受け
て、二つの電子に分離する。その状態の電子を自由電子
状態とは異なっているので、準粒子と称している。この
場合、二つの電極を共に超伝導体としたトンネル接合で
は、両超伝導電極のギャップエネルギーの和に対応した
電圧で、準粒子電流が急激に増大し、電流・電圧特性に
強い非線形性が現れる。
【００２３】次に、本発明の超伝導量子演算素子の動作
を図２に基づいて説明する。ここでは簡単のため１ビッ
トの量子演算素子を考える。図２（ａ）は超伝導箱電極
１０１中の余剰クーパー対の数ｎが、０と１の状態のエ
ネルギーに対応して、ゲート電極１０３のバイアス電圧
であるゲート電圧Ｖｇに依存する様子を示したものであ
る。２つの状態が縮退する点を、Ｖｇ１とする。縮退ゲ
ート電圧Ｖｇ１から大きく外れた点Ｖｇ０では、状態０
の方が状態１よりもエネルギーが低く、Ｖｇ＝Ｖｇ０に
待機することにより、量子ビットの初期状態ｎ＝０を用
意することができる。
を図２に基づいて説明する。ここでは簡単のため１ビッ
トの量子演算素子を考える。図２（ａ）は超伝導箱電極
１０１中の余剰クーパー対の数ｎが、０と１の状態のエ
ネルギーに対応して、ゲート電極１０３のバイアス電圧
であるゲート電圧Ｖｇに依存する様子を示したものであ
る。２つの状態が縮退する点を、Ｖｇ１とする。縮退ゲ
ート電圧Ｖｇ１から大きく外れた点Ｖｇ０では、状態０
の方が状態１よりもエネルギーが低く、Ｖｇ＝Ｖｇ０に
待機することにより、量子ビットの初期状態ｎ＝０を用
意することができる。
【００２４】次に、図２（ｂ）に示すような、電圧パル
スをゲート電極１０３に印加することを考える。時間ｔ
０以前で状態０にあったものが、時間ｔ０＋からパルス
幅Δｔの間、Ｖｇ１のゲート電圧のもとで状態０と状態
１の間をコヒーレントに振動する。振動周期は、トンネ
ルバリア１０４のジョセフソンエネルギーをＥＪとする
と、プランク定数をｈとして、［ｈ／ＥＪ］となる。パ
ルス幅を制御することにより、量子状態の移り変わりを
任意に制御することができる。これが１ビットの演算に
対応する。パルス終了後、演算結果に対応した波動関数
の重みでもって量子ビットの状態は、状態０と状態１の
重ねあわせとなる。ここで状態１は、超伝導箱電極１０
１から、正側に、Ｖ＝（２Δ＋Ｅｃ）／ｅから（２Δ＋
３Ｅｃ）／ｅ迄の間に、バイアスされたプローブ電極１
０６への、電子のトンネリングに対して、不安定であ
り、電子のトンネリング確率Γは、 Γ〜（ｅＶ＋Ｅｃ）／ｅ2Ｒ ……（１） （Ｒはプローブ接合のトンネル抵抗、Ｅｃは箱電極の一
電子帯電エネルギー）で、２つの電子をプローブ電極１
０６へ放出し、状態０へと緩和する。
スをゲート電極１０３に印加することを考える。時間ｔ
０以前で状態０にあったものが、時間ｔ０＋からパルス
幅Δｔの間、Ｖｇ１のゲート電圧のもとで状態０と状態
１の間をコヒーレントに振動する。振動周期は、トンネ
ルバリア１０４のジョセフソンエネルギーをＥＪとする
と、プランク定数をｈとして、［ｈ／ＥＪ］となる。パ
ルス幅を制御することにより、量子状態の移り変わりを
任意に制御することができる。これが１ビットの演算に
対応する。パルス終了後、演算結果に対応した波動関数
の重みでもって量子ビットの状態は、状態０と状態１の
重ねあわせとなる。ここで状態１は、超伝導箱電極１０
１から、正側に、Ｖ＝（２Δ＋Ｅｃ）／ｅから（２Δ＋
３Ｅｃ）／ｅ迄の間に、バイアスされたプローブ電極１
０６への、電子のトンネリングに対して、不安定であ
り、電子のトンネリング確率Γは、 Γ〜（ｅＶ＋Ｅｃ）／ｅ2Ｒ ……（１） （Ｒはプローブ接合のトンネル抵抗、Ｅｃは箱電極の一
電子帯電エネルギー）で、２つの電子をプローブ電極１
０６へ放出し、状態０へと緩和する。
【００２５】一方、状態０は安定状態であり、何も起こ
らない。状態１が完全に緩和するまで、確率Γの数倍の
時間Ｔｄ待機すると、再び初期状態０が用意され、次の
パルスにより同じ操作を繰り返すことができる。
らない。状態１が完全に緩和するまで、確率Γの数倍の
時間Ｔｄ待機すると、再び初期状態０が用意され、次の
パルスにより同じ操作を繰り返すことができる。
【００２６】これを繰り返すことにより、出力としてプ
ローブ電極１０６へ流れ出る直流電流が、終状態におい
て、量子ビットの状態が状態１にある確率密度に比例す
る信号となる。
ローブ電極１０６へ流れ出る直流電流が、終状態におい
て、量子ビットの状態が状態１にある確率密度に比例す
る信号となる。
【００２７】例えば、結果が完全に状態１のとき［２ｅ
／Ｔｄ］の直流電流が観測できる。この場合、読み出し
は直流電流を読むだけであるので、信号線には広帯域特
性は要求されない。量子演算の途中で状態が観測されて
しまう確率が無視できるように、ＥＪ＞＞ｈΓである必
要がある。そのかわり観測が行なわれる前にはプローブ
接合から量子ビットへの反作用はない。多数ビット間の
量子演算を行なう場合には、上記１ビット素子を並列に
配置し、超伝導箱電極１０１を複数並列として、各量子
ビットの対向電極１０２をインダクタンスを介して結合
することにより、任意の２つの量子ビットを互いに相互
作用させることが可能になり、多ビット間の任意の量子
演算を行なうことも可能になる。さらに、この量子演算
から、量子コンピュータの実現も可能となる。
／Ｔｄ］の直流電流が観測できる。この場合、読み出し
は直流電流を読むだけであるので、信号線には広帯域特
性は要求されない。量子演算の途中で状態が観測されて
しまう確率が無視できるように、ＥＪ＞＞ｈΓである必
要がある。そのかわり観測が行なわれる前にはプローブ
接合から量子ビットへの反作用はない。多数ビット間の
量子演算を行なう場合には、上記１ビット素子を並列に
配置し、超伝導箱電極１０１を複数並列として、各量子
ビットの対向電極１０２をインダクタンスを介して結合
することにより、任意の２つの量子ビットを互いに相互
作用させることが可能になり、多ビット間の任意の量子
演算を行なうことも可能になる。さらに、この量子演算
から、量子コンピュータの実現も可能となる。
【００２８】図１に示した超伝導量子演算素子により、
バイアスや制御電圧はプローブ電極とゲート電極によ
り、超伝導箱電極の状態を読み取り、また超伝導箱電極
が複数列で有ればその演算結果を得ることができるの
で、従来の図５に示すような量子演算素子と比べても、
複雑な制御の必要性が無いことがわかる。
バイアスや制御電圧はプローブ電極とゲート電極によ
り、超伝導箱電極の状態を読み取り、また超伝導箱電極
が複数列で有ればその演算結果を得ることができるの
で、従来の図５に示すような量子演算素子と比べても、
複雑な制御の必要性が無いことがわかる。
【００２９】
【実施例】次に、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。図３は本発明の実施例の上面図である。
基板には絶縁体基板３０５、例えば表面酸化されたシリ
コン基板を用いる。アルミ箱電極３０１，アルミ対向電
極３０２，アルミプローブ電極３０６，アルミゲート電
極３０３の各電極は、超伝導体で形成される。また、図
３と図１とはほぼ対応した回路図であり、超伝導箱電極
１０１はアルミ箱電極３０１と対となっており、他の電
極及びバリアも同様である。
して説明する。図３は本発明の実施例の上面図である。
基板には絶縁体基板３０５、例えば表面酸化されたシリ
コン基板を用いる。アルミ箱電極３０１，アルミ対向電
極３０２，アルミプローブ電極３０６，アルミゲート電
極３０３の各電極は、超伝導体で形成される。また、図
３と図１とはほぼ対応した回路図であり、超伝導箱電極
１０１はアルミ箱電極３０１と対となっており、他の電
極及びバリアも同様である。
【００３０】材料としてはアルミおよびニオブが用いら
れる。ゲート電極３０３は別に常伝導貴金属、金および
白金を用いることもできる。また、酸化アルミ・トンネ
ルバリア３０４，酸化アルミ・トンネルバリア３０７の
各バリアは、対向電極３０２の蒸着後に、もう一度酸素
を真空室に導入し、超伝導箱電極３０１の表面をさらに
酸化したのち、アルミプローブ電極３０６を箱電極３０
１とわずかに重なるように蒸着し、トンネル接合として
の酸化アルミトンネルバリア３０７を形成する。また、
酸化アルミ・トンネルバリア３０４と酸化アルミ・トン
ネルバリア３０７とは、幅は同一であるが、厚さが異な
っているので、図３にみる平面図では、概念上酸化アル
ミ・トンネルバリア３０７の幅を大きくしている。
れる。ゲート電極３０３は別に常伝導貴金属、金および
白金を用いることもできる。また、酸化アルミ・トンネ
ルバリア３０４，酸化アルミ・トンネルバリア３０７の
各バリアは、対向電極３０２の蒸着後に、もう一度酸素
を真空室に導入し、超伝導箱電極３０１の表面をさらに
酸化したのち、アルミプローブ電極３０６を箱電極３０
１とわずかに重なるように蒸着し、トンネル接合として
の酸化アルミトンネルバリア３０７を形成する。また、
酸化アルミ・トンネルバリア３０４と酸化アルミ・トン
ネルバリア３０７とは、幅は同一であるが、厚さが異な
っているので、図３にみる平面図では、概念上酸化アル
ミ・トンネルバリア３０７の幅を大きくしている。
【００３１】つぎに、図４は素子の製造過程の一例をし
めすものである。図３に示す量子演算素子を作製する例
を示している。トンネルバリア４０４，４０６の形成は
以下のように行なわれる。まずマスク４０７を通して、
超伝導箱電極４０１を蒸着した後、蒸着装置の真空室の
中に、酸素あるいは酸素１０％とアルゴンの混合ガスを
導入し、表面を酸化する。ゲート電極４０３がアルミ電
極の場合、表面に酸化アルミの絶縁膜が形成される。ニ
オブ電極の場合、表面にあらかじめ薄くアルミを蒸着し
ておいて、そのアルミを酸化する。
めすものである。図３に示す量子演算素子を作製する例
を示している。トンネルバリア４０４，４０６の形成は
以下のように行なわれる。まずマスク４０７を通して、
超伝導箱電極４０１を蒸着した後、蒸着装置の真空室の
中に、酸素あるいは酸素１０％とアルゴンの混合ガスを
導入し、表面を酸化する。ゲート電極４０３がアルミ電
極の場合、表面に酸化アルミの絶縁膜が形成される。ニ
オブ電極の場合、表面にあらかじめ薄くアルミを蒸着し
ておいて、そのアルミを酸化する。
【００３２】次に、マスクを通して対向電極４０２を超
伝導箱電極４０１の表面にわずかに重なるように、異な
る角度から蒸着する。その重なり部分に挟まれた酸化ア
ルミがトンネルバリアになり、トンネル接合４０４が形
成される。プローブ電極４０５側のトンネルバリアは、
ＥＪ＞＞ｈΓを満たすために厚いことが望ましいので、
対向電極４０２の蒸着後に、もう一度酸素を真空室に導
入し、超伝導箱電極４０１表面をさらに酸化したのち、
プローブ電極４０５を超伝導箱電極４０１とわずかに重
なるように蒸着し、トンネル接合４０６を形成する。正
面を含む異なる角度から３回の蒸着工程を示したのが、
図４の下側の図である。マスクパターン４０７と絶縁体
基板間の距離を設け、所定の角度で正面、斜め上、反対
側からそれぞれ蒸着することにより、図３に示す量子演
算素子を形成することができる。
伝導箱電極４０１の表面にわずかに重なるように、異な
る角度から蒸着する。その重なり部分に挟まれた酸化ア
ルミがトンネルバリアになり、トンネル接合４０４が形
成される。プローブ電極４０５側のトンネルバリアは、
ＥＪ＞＞ｈΓを満たすために厚いことが望ましいので、
対向電極４０２の蒸着後に、もう一度酸素を真空室に導
入し、超伝導箱電極４０１表面をさらに酸化したのち、
プローブ電極４０５を超伝導箱電極４０１とわずかに重
なるように蒸着し、トンネル接合４０６を形成する。正
面を含む異なる角度から３回の蒸着工程を示したのが、
図４の下側の図である。マスクパターン４０７と絶縁体
基板間の距離を設け、所定の角度で正面、斜め上、反対
側からそれぞれ蒸着することにより、図３に示す量子演
算素子を形成することができる。
【００３３】また、他にも、ＥＪ＞＞ｈΓを満たすため
の方法として、プローブ接合の面積を量子ビットのトン
ネル接合よりも小さくする、対向電極のみに超伝導ギャ
ップの大きい材料たとえばニオブを用いてＥＪを大きく
する方法もある。ゲート電極４０３は、これらの過程の
前に別の蒸着工程で用意しておくことも可能であるし、
上記の工程と同時に蒸着することもできる。マスク上に
付着した金属をリフトオフにより取り除くことにより、
本発明の超伝導量子演算素子が得られる。
の方法として、プローブ接合の面積を量子ビットのトン
ネル接合よりも小さくする、対向電極のみに超伝導ギャ
ップの大きい材料たとえばニオブを用いてＥＪを大きく
する方法もある。ゲート電極４０３は、これらの過程の
前に別の蒸着工程で用意しておくことも可能であるし、
上記の工程と同時に蒸着することもできる。マスク上に
付着した金属をリフトオフにより取り除くことにより、
本発明の超伝導量子演算素子が得られる。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、結果を直流電流信号と
して取り出すことができるため、高速の電圧操作や高速
信号の取り出しが不要になるので、演算結果の読み出し
が簡単になる。
して取り出すことができるため、高速の電圧操作や高速
信号の取り出しが不要になるので、演算結果の読み出し
が簡単になる。
【００３５】また、読み出し回路として単一電子トラン
ジスタを用いずに、量子ビットにトンネルバリアを挟ん
で直結したプローブ電極へのトンネリングを出力として
取り出すことができるので、読み出し回路の構成の単純
化が可能で、配線数を低減することができる。
ジスタを用いずに、量子ビットにトンネルバリアを挟ん
で直結したプローブ電極へのトンネリングを出力として
取り出すことができるので、読み出し回路の構成の単純
化が可能で、配線数を低減することができる。
【図１】本発明の構成の回路図である。
【図２】本発明の動作の説明図である。
【図３】本発明の実施例の上面図である。
【図４】本発明の実施例の素子の製造方法の説明図であ
る。
る。
【図５】従来の超伝導量子ビットとその読み出し回路の
回路図である。
回路図である。
１０１ 超伝導箱電極
１０２ 対向電極
１０３ ゲート電極
１０４ トンネルバリア
１０５ ゲート容量
１０６ プローブ電極
１０７ トンネルバリア
３０１ アルミ箱電極
３０２ アルミ対向電極
３０３ アルミゲート電極
３０４ 酸化アルミトンネルバリア
３０５ 絶縁体基板
３０６ アルミプローブ電極
３０７ 酸化アルミトンネルバリア
４０１ 超伝導箱電極
４０２ 対向電極
４０３ ゲート電極
４０４ トンネル接合
４０５ プローブ電極
４０６ トンネル接合
４０７ マスクパターン
５０１ 超伝導箱電極
５０２ 対向電極
５０３ ゲート電極
５０４ トンネルバリア
５０５ ゲート容量
５０６ 読み出し容量
５０７ 島電極
５０８ ソース電極
５０９ ドレイン電極
５１０ ゲート電極
５１１ トンネルバリア
５１２ ゲート容量
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平10−107340（ＪＰ，Ａ)
Ｙ．Ｎａｋａｍｕｒａ， Ｃ． Ｄ.
Ｃｈｅｎ， Ｊ． Ｓ． Ｔｓａ
ｉ，”Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｐｐｙ ｏｆ
Ｅｎｅｒｇｙ−Ｌｅｖｅｌ Ｓｐｌｉ
ｔｔｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｔｗｏ
Ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｑｕａｎｔｕ
ｍ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ
Ｃｏｈｅｒｅｎｔｌｙ，ＰＨＹＳＩＣ
ＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ,
1997年 ９月22日，Ｖｏｌ． 79， Ｎ
ｏ． 12，ｐｐ． 2328−2331，タイト
ル欠損あり
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 29/06
H01L 29/66
H01L 29/80
H01L 39/22
Claims (2)
- 【請求項１】 超伝導体で構成された量子箱電極と対向
電極が第一のトンネルバリアを挟んで結合した量子ビッ
ト構造と、前記量子箱電極と静電容量を介して結合した
ゲート電極と、前記量子箱電極と第二のトンネルバリア
を介して結合したプローブ電極とを備え、 量子ビットにおける前記第一のトンネルバリアを介した
コヒーレント振動時間が前記第二のトンネルバリアを介
したキャリアトンネル緩和時間より短い量子演算素子の
読み出し方法において、 前記超伝導量子箱電極と超伝導対向電極によって形成さ
れた量子ビットを、ゲート電極に印加されるパルス・ゲ
ート電圧で制御し、 正にバイアスされた前記プローブ電極によって、前記量
子ビットの演算後の読み出し、および演算前の初期状態
の準備が行われる ことを特徴とする量子演算素子の読み
出し方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載の量子演算素子の読み出
し方法において、前記パルス・ゲート電圧が、量子ビットの初期状態に対
応するゲート電圧と、余剰クーパー対の２つの状態が縮
退するゲート電圧であって所定のパルス幅を有するゲー
ト電圧とによるパルス・ゲート電圧である ことを特徴と
する量子演算素子の読み出し方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08201999A JP3456568B2 (ja) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | 量子演算素子の読み出し方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08201999A JP3456568B2 (ja) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | 量子演算素子の読み出し方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000277723A JP2000277723A (ja) | 2000-10-06 |
| JP3456568B2 true JP3456568B2 (ja) | 2003-10-14 |
Family
ID=13762823
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08201999A Expired - Fee Related JP3456568B2 (ja) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | 量子演算素子の読み出し方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3456568B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230013930A (ko) | 2021-07-20 | 2023-01-27 | 현대자동차주식회사 | 전기차 감속기 |
| KR20230052004A (ko) | 2021-10-12 | 2023-04-19 | 현대자동차주식회사 | 전기차 변속기 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6459097B1 (en) * | 2000-01-07 | 2002-10-01 | D-Wave Systems Inc. | Qubit using a Josephson junction between s-wave and d-wave superconductors |
| FR2839389B1 (fr) * | 2002-05-03 | 2005-08-05 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif de bit quantique supraconducteur a jonctions josephson |
| JP4535701B2 (ja) * | 2003-08-05 | 2010-09-01 | 日本電気株式会社 | 結合超伝導電荷量子ビット素子、それを用いた制御否定ゲート |
| JP4836064B2 (ja) | 2004-08-16 | 2011-12-14 | 独立行政法人理化学研究所 | 量子状態読出回路 |
| JP5024819B2 (ja) * | 2007-04-19 | 2012-09-12 | 独立行政法人理化学研究所 | 単一人工原子メーザ |
-
1999
- 1999-03-25 JP JP08201999A patent/JP3456568B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｙ．Ｎａｋａｍｕｒａ， Ｃ． Ｄ． Ｃｈｅｎ， Ｊ． Ｓ． Ｔｓａｉ，"Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｐｐｙ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ−Ｌｅｖｅｌ Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｔｗｏ Ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｈｅｒｅｎｔｌｙ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ，１９９７年 ９月２２日，Ｖｏｌ． ７９， Ｎｏ． １２，ｐｐ． ２３２８−２３３１，タイトル欠損あり |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230013930A (ko) | 2021-07-20 | 2023-01-27 | 현대자동차주식회사 | 전기차 감속기 |
| KR20230052004A (ko) | 2021-10-12 | 2023-04-19 | 현대자동차주식회사 | 전기차 변속기 |
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|---|---|
| JP2000277723A (ja) | 2000-10-06 |
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