JP3601787B2 - 量子コンピュータおよびこの制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子ビットを用いた量子コンピュータおよびこの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
「Ｐ．Ｗ．Ｓｈｏｒ」が、１９９５年に、大きな数の因数分解が、量子計算を使うと古典計算機に比べて圧倒的な速さで計算できることを示して以来、量子計算機の研究は理論，実験ともに急激に進んで来ている。量子コンピュータでは，量子ビットが古典的なコンピュータのビットに対応する。また、古典的なコンピュータにおける入力，演算，出力は、量子コンピュータにおける系の、初期状態の準備、系の時間発展、系の読み出しに対応する。量子コンピュータの一般的な解説は、文献１「細谷暁夫著、『量子コンピュータの基礎』、サイエンス社（１９９９年）」に述べられている。
【０００３】
量子コンピュータにおける基本要素となる量子ビットは、量子力学的な｜０＞状態と｜１＞状態の重ね合わせ状態で表される。この状態は、実験的には、量子的な二準位系にあたり、様々な量子的な二準位系を使った量子コンピュータが提案されている。これらの提案は、固体素子を用いたものと固体素子を用いないものとに分けることができる。固体素子は集積化が容易な点で有利であるが、素子周辺の環境による影響のため、量子的な状態を保つことが難しい。逆に、固体素子でないものは、集積化は難しいが周辺の環境の影響を受けにくい。
【０００４】
磁束量子ビットは、固体素子を用いた量子ビットの一種ではあるが、素子に超伝導体を使っており、超伝導ギャップの存在のため環境の影響を受けにくいと考えられている。また、同じく超伝導体を使った電荷量子ビットも提案されているが、磁束のノイズは電荷のノイズに比べて少ないので、この点においても磁束量子ビットは有利である。このため、磁束量子ビットは、集積化に有利でかつ環境の影響も受けにくい理想的な量子ビットであると考えられる。
【０００５】
量子コンピュータにおける演算は、量子系の時間発展になる。１つの量子ビットの演算である位相シフタと呼ばれる演算と、２つの量子ビットの演算である制御ＮＯＴと呼ばれる演算ができれば、原理的にすべて演算が可能であることが示されている。２つの量子ビットの演算のためには、２つの量子ビットが量子もつれ合い状態（ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｓｔａｔｅ）にある必要がある。このためには、２つの量子ビット間に相互作用が必要となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、いままでに提案されている量子コンピュータでは、通常この相互作用を随意に切ったり入れたりすることができない。例えば、現在最も多くの量子ビット数で実現されているＮＭＲ量子コンピュータにおいては、量子ビットは核スピンであり、量子ビット間の相互作用は核スピン同士の相互作用である。この相互作用は、素子としてどのような分子を選んだかによって決定されてしまい、核スピン同士の相互作用は常に存在している。
【０００７】
このため、上記ＮＭＲ量子コンピュータにおいて、量子ビット間は常に相互作用がある状態にある。量子コンピュータにおける演算がその系の時間発展であることを考えれば、常に相互作用が存在することは、常にビット間で演算を行っていることになる。これは任意の演算をさせるには好ましいことではなく、任意の演算を行うためには、常に行われている量子ビット間での相互作用を打ち消す別の操作が必要となる（文献１第５章参照）。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、量子コンピュータの演算における量子ビット間の相互作用を、任意に制御できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態における量子コンピュータは、２つの磁束量子ビットと、この２つの磁束量子ビット間に相互作用を作用させる磁束転送器とを備え、加えて、磁束転送器に流れる超伝導電流をオンオフする切り換え手段を備えるようにしたものである。
この量子コンピュータによれば、切り換え手段による磁束転送器のオンオフにより、超伝導電流が流れることにより相互作用を持つ２つの磁束量子ビット間の相互作用が制御される。
【００１０】
上記量子コンピュータにおいて、切り換え手段は、ジョセフソン接合電界効果トランジスタ、または磁束転送器の一部を加熱する加熱手段、または磁束転送器の一部に設けられた超伝導体から構成された機械スイッチのいずれかであればよい。
【００１１】
また、本発明の一形態における量子コンピュータの制御方法は、２つの磁束量子ビットと、この２つの磁束量子ビット間に相互作用を作用させる磁束転送器とを備えた量子コンピュータの演算を、磁束転送器に流れる超伝導電流をオンオフすることにより制御するようにしたものである。
この制御方法によれば、磁束転送器のオンオフにより、超伝導電流が流れることにより相互作用を持つ２つの磁束量子ビット間の相互作用が制御される。
【００１２】
上記量子コンピュータの制御方法において、磁束転送器に流れる超伝導電流のオンオフは、例えば、ジョセフソン接合電界効果トランジスタ、または磁束転送器の一部を加熱すること、または、磁束転送器の一部に設けた機械スイッチのいずれかにより行うようにすればよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における量子コンピュータの一部構成の例を示す平面図である。図１中に付けた符号について説明すると、まず、１０１は超伝導体から構成された磁束転送器（フラックストランスフォーマー）、１０２はジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ：切り換え手段）であり、磁束転送器１０１の電極部１０１ａ，１０１ｂに接続している。
【００１４】
また、１０３はジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ）のゲート電極に接続するゲート配線、１０４ａ，１０４ｂは磁束量子ビット、１０５は磁束量子ビットの状態を読み出すＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ：読み出し手段）、１０６ａ，１０６ｂは、磁場を作り出すことで各々の磁束量子ビットの状態を制御する制御ラインである。
【００１５】
また、１１４，１１５は、トンネル絶縁部からなるジョセフソン接合である。これらは、図示していない半導体基板上に絶縁膜を介して形成され、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂおよびＳＱＵＩＤ１０５は、例えばアルミニウムやニオブなどの、低温にすることで超伝導製を示す材料から構成すればよい。。同様に、磁束転送器１０１も、ニオブから構成すればよい。また、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂは、例えば、約５μｍ角に形成されている
【００１６】
このように構成することで、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂが作り出す磁束をＳＱＵＩＤ１０５で読み出し、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの状態が、｜０＞状態と｜１＞状態とのどちらの状態となっているかを検出することができる。
【００１７】
なお、３つのジョセフソン接合を用いた１つの磁束量子ビットについては、文献２「Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ，Ｔ．Ｐ．Ｏｒｌａｎｄｏ，Ｌ．Ｌｅｖｉｔｏｖ，Ｌｉｎ Ｔｉａｎ，Ｃａｓｐａｒ Ｈ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａｌ，Ｓｅｔｈ ＬＩｏｙｄ，“Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｑｕｂｉｔ”，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２８５（１９９９）１０３６」、文献３「Ｔ．Ｐ．Ｏｒｌａｎｄｏ，Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ，Ｌｉｎ Ｔｉａｎ，Ｃａｓｐａｒ Ｈ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａｌ，Ｌ．Ｓ．Ｌｅｖｉｔｏｖ，Ｓｅｔｈ Ｌｌｏｙｄ，Ｊ．Ｊ．Ｍａｚｏ，“Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｑｕｂｉｔ”，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ６０（１９９９）１５３９８」、文献４「Ｃａｓｐａｒ Ｈ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａｌ，Ａ．Ｃ．Ｊ．ｔｅｒ Ｈａａｒ，Ｆ．Ｋ．Ｗｉｌｈｅｌｍ，Ｒ．Ｎ．Ｓｃｈｏｕｔｅｎ，Ｃ．Ｊ．Ｐ．Ｍ．Ｈｒｍａｎｓ，Ｔ．Ｐ．Ｏｒｌａｎｄｏ，Ｓｅｔｈ Ｌｌｏｙｄ，Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ，”Ｑｕａｎｔｕｍ Ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｔａｔｅｓ”，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９０（２０００）７７３」に記載されている。
【００１８】
磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの状態は、磁場依存性を示す（文献４のＦｉｇ．１参照）。このため、外から加える磁場により、１つの磁束量子ビットの状態を、｜０＞状態と、｜１＞状態と、またはこれらの量子力学的な重ね合わせ状態とに制御できる。磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの状態に対する制御は、制御ライン１０６ａ，１０６ｂに電流を流し、この周りに磁場を発生させるにより行うことができる。
【００１９】
制御ライン１０６ａおよび制御ライン１０６ｂの周りに発生する磁場は、制御ライン１０６ａおよび制御ライン１０６ｂに流れる電流に比例し、かつ制御ライン１０６ａおよび制御ライン１０６ｂからの距離に反比例するので、磁束量子ビット１０４ａおよび磁束量子ビット１０４ｂの状態を個別に操作性良く制御できる。
【００２０】
図１では、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂとして３つのジョセフソン接合を用いたもので示しているが、本発明におけるＪＯＦＥＴを使用した磁束転送器１０１の作用は、他の磁束量子ビット場合でも同様である。他の磁束量子ビットに関しての一例として、１つのジョセフソン接合を用いた磁束量子ビットがある。これは文献５「ＪｏｎａｔｈＡＮ Ｒ．Ｆｒｉｅｄ−ｍａｎ，Ｖｉｊａｙ Ｐａｔｅｌ，Ｗ．Ｃｈｅｎ，Ｓ．Ｋ，Ｔｏｌｐｙｇｏ，Ｊ．Ｅ．Ｌｕｋｅｎｓ，“Ｑｕａｎｔｕｍ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍａｃｒｏ−ｓｃｏｐｉｃ ｓｔａｔｅｓ”，Ｎａｔｕｒｅ４０６（２０００）４３」に詳しく述べられている。
【００２１】
２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂは、磁束転送器１０１を流れる電流を通じて磁気的な相互作用を持ち、２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの量子もつれ合い状態（ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｓｔａｔｅ）を実現することができる。図２は、この磁気的な相互作用を模式的に説明するものである。図２では、超伝導体から構成された磁束転送器１０１を、２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂで挾んだ状態を、等価的に示している。
【００２２】
磁束量子ビット１０４ａ、磁束量子ビット１０４ｂ、磁束転送器１０１の自己インダクタンスを各々Ｌ１，Ｌ２，ＬＴとする。また、磁束量子ビット１０４ａと磁束転送器１０１との相互インダクタンスをＭ１とし、磁束量子ビット１０４ｂと磁束転送器１０１との相互インダクタンスをＭ２とする。
【００２３】
以下に、磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂとの磁気的な相互作用について考察する。
いま、磁束量子ビット１０４ａでの磁束がΔΦ１変化したとすると、この磁束の変化は、磁束量子ビット１０４ａの自己インダクタンスＬ１により、磁束量子ビット１０４ａに電流の変化ΔＩ１＝ΔΦ１／Ｌ１を引き起こす。
【００２４】
この磁束量子ビット１０４ａにおける電流の変化ΔＩ１は、磁束量子ビット１０４ａと磁束転送器１０１との相互インダクタンスＭ１により、磁束転送器１０１に磁束の変化ΔΦＴ＝Ｍ１ΔＩ１を引き起こす。この磁束転送器１０１での磁束の変化ΔΦＴは、磁束転送器１０１の自己インダクタンスＬＴにより、磁束転送器１０１に電流の変化ΔＩＴ＝ΔΦＴ／ＬＴを引き起こす。
【００２５】
この磁束転送器１０１における電流の変化ΔＩＴは、磁束転送器１０１と磁束量子ビット１０４ｂの相互インダクタンスＭ２により、磁束量子ビット１０４ｂに磁束の変化ΔΦ２＝Ｍ２ΔＩＴを引き起こす。従って、磁束量子ビット１０４ａでの磁束の変化ΔΦＴは、磁束転送器１０１に電流が流れることにより、磁束量子ビット１０４ｂにおいて、磁束の変化ΔΦ２＝Ｍ１Ｍ２ΔΦ１／Ｌ１ＬＴを引き起こすことになる。
【００２６】
このことは、磁束量子ビットの状態が磁場依存性を示すことを考えると、磁束量子ビット１０４ａの状態は、磁束量子ビット１０４ｂの状態に変化を与え、相互作用を持つことを意味する。すなわち、磁束量子ビット１０４ａの状態が、｜０＞状態か｜１＞状態によって、磁束量子ビット１０４ｂの状態も影響を受ける。この逆も同様であり、２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂは、相互作用を持つことになる。
【００２７】
ここで、磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂの直接の相互インダクタンスは、考慮する必要はない。なぜなら、この直接の相互インダクタンスの大きさは、磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂとを充分遠くに離せば、小さな値となるからである。この時、直接の相互作用は、磁束転送器１０１を通した相互作用の大きさに比べて小さく無視できる。
【００２８】
図１において、磁束転送器１０１は、２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂを囲むように配置している。しかし、図２の模式図からも分かるように、磁束転送器１０１と各々の磁束量子ビットとの相互インダクタンスを通し、磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂとが磁気的に相互作用していれば、磁束転送器は、どのような配置，形状であろうと、同様の相互作用の効果が得られる。
【００２９】
図１に示す量子コンピュータにおける磁束転送器１０１を使った磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの系においては、相互作用のエネルギーは、磁束転送器１０１の自己インダクタンスＬＴと、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂとの相互インダクタンスＭ１，Ｍ２の大きさと、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂを流れる電流Ｉ１，Ｉ２により決まる。
【００３０】
磁束量子ビット１０４ａでの磁束の変化ΔΦは、磁束量子ビット１０４ｂにおける磁束の変化ΔΦ２＝Ｍ１Ｍ２ΔΦ１／Ｌ１ＬＴを引き起こす。よって、磁束量子ビット１０４ｂが受けた仕事（エネルギー）は、
Ｉ２ΔΦ２＝Ｍ１Ｍ２Ｉ２ΔΦ１／Ｌ１ＬＴ＝Ｍ１Ｍ２Ｉ２ΔＩ１／ＬＴ，ΔΦ１＝Ｌ１ΔＩ１
である。
また、磁束量子ビット１０４ｂが受けた仕事（エネルギー）は、相互作用のエネルギーと考えられ、相互作用のエネルギーをＪとおくと、Ｊ＝Ｍ１Ｍ２Ｉ２Ｉ１／ＬＴで表される。
【００３１】
量子コンピュータの演算には、量子もつれ合い状態（ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｓｔａｔｅ）が必要になる。本実施の形態の磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂにおいては、上述した磁気的な相互作用により、量子もつれ合い状態が実現できる。相互作用で結ばれた磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂが、時間発展することにより、量子もつれ合い状態になる。
いまｚ軸方向のパウリのスピン行列をσｚとし、相互作用のハミルトニアンをＨｉｎｔとすると、相互作用のエネルギーＪを使って、
【００３２】
【数１】
【００３３】
となる。ここで、σ１ｚは磁束量子ビット１０４ａの磁束のｚ成分，σ２ｚは磁束量子ビット１０４ｂの磁束のｚ成分であり、Ｈｉｎｔは、σ１ｚとσ２ｚの直積に、相互作用のエネルギーＪを乗じたものである。
この相互作用で結ばれた２つの磁束量子ビットが、時間発展する。
【００３４】
磁束量子ビット１０４ａの状態を｜ａ＞とし、磁束量子ビット１０４ｂの状態を｜ｂ＞とする。まずはじめに、磁束転送器１０１が超伝導電流を流さない状態にあり、磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂとの間には相互作用がないとする。磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂの初期状態を、｜０＞状態と｜１＞状態とが等しく存在する状態とし、各々の状態を、
｜Ｉ＞＝（｜０＞＋｜１＞）／√２，｜ＩＩ＞＝（｜０＞＋｜１＞）／√２
とする。これらは、Ｘ軸方向のパウリのスピン行列σｘの固有ベクトルである。
【００３５】
この時の２つの量子ビットの状態は、
｜Ｉ＞｜ＩＩ＞＝（｜０＞｜０＞＋｜０＞｜１＞＋｜１＞｜１＞）／２
となる。時刻ｔ＝０に磁束転送器１０１が、超伝導電流を流せる状態に変わり、２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの状態が、相互作用を持つ状態に変わり、これらによる系が時間発展していく。
【００３６】
つぎに、時刻ｔでの２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの状態を｜Ψ（ｔ）＞とする。状態｜Ψ（ｔ）＞は、相互作用の影響を受けて時間発展していき、この時間依存性は、
｜Ψ（ｔ）＞＝ｅｘｐ（−２πｉＨｉｎｔｔ／ｈ）｜Ψ（０）＞，｜Ψ（０）＞＝｜Ｉ＞｜ＩＩ＞
となる。
【００３７】
上記時間依存性の式に相互作用のハミルトニアンを代入すると、
｜Ψ（ｔ）＞＝｛ｅｘｐ（−２πｉＪｔ／ｈ）｜０＞｜０＞＋ｅｘｐ（２πｉＪｔ／ｈ）｜０＞｜１＞＋ｅｘｐ（２πｉＪｔ／ｈ）｜１＞｜０＞＋ｅｘｐ（−２πｉＪｔ／ｈ）｜１＞｜１＞｝／２
となる。
いま、時刻ｔ＝ｈ／（８Ｊ）を考える。この時刻の系の状態は、
｜Ψ（ｔ）＞＝｛（１−ｉ）｜０＞｜０＞＋（１＋ｉ）｜０＞｜１＞十（１＋ｉ）｜１＞｜０＞＋（１−ｉ）｜１＞｜１＞｝／２√２
となる。
【００３８】
このままでは、この系の状態が、直観的には分からない。このため、初期状態に使ったｘ軸方向のパウリのスピン行列σｘの固有ベクトルで、この系を書き直してみる。ｘ軸方向のパウリのスピン行列σｘの固有ベクトルは、
｜ｘ＋＞＝（｜０＞＋｜１＞）／√２，｜ｘ−＞＝（｜０＞−｜１＞）／√２
である。
これを用いて｜Ψ（ｔ）＞を書き直すと、
｜Ψ（ｔ）＞＝（｜ｘ＋＞｜ｘ＋＞−ｉ｜ｘ−＞｜ｘ−＞｝／√２
となる。
【００３９】
時刻ｔ＝ｈ／（８Ｊ）においては、各々の量子ビットの状態からだけでは、２つの量子ビットの系全体を表すことができない。これは、系の状態が各々の量子ビットの状態で分離して表示することができず、古典的な状態ではあり得ない量子力学的な状態である。この状態が、前述した、量子がもつれ合いした状態（ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｓｔａｔｅ）である。
２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの間に、磁束転送器１０１によって相互作用を与えることで、上述した量子コンピュータの演算に必要な量子もつれ合い状態が実現できる。
【００４０】
本実施の形態の磁束転送器１０１の場合、実際の試料の形状や配置から、この相互作用の大きさを見積もると、Ｊ＝０．３４［ＧＨｚ］＝１．４１［μｅＶ］程度になる。このときの２つの磁束量子ビット系が、量子もつれ合い状態になる時間は、０．３７［ｎＳ］程度である。これは、１秒間に最大２７億回（２．７ＧＨｚ）の演算ができることに対応する。
【００４１】
前述したように、磁束転送器１０１に流れる電流を通し、磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂは、相互作用する。ここで、磁束転送器１０１に流れる電流のオンオフを制御できれば、２つの磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂとの間の相互作用の発生を制御できる。これらの制御が可能になれば、任意の時刻に磁束量子ビット間で相互作用させることができる。
【００４２】
また、任意の時刻に相互作用を切り、個別に磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの状態を制御ライン１０６ａ，１０６ｂにより制御することもできる。このように任意に磁束量子ビット間の相互作用を制御できる点は、他の量子ビット系と異なり、制御可能な磁束転送器１０１を利用した、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂ系における大きな利点である。
【００４３】
本実施の形態では、超伝導体から構成された磁束転送器１０１に、超伝導電流が流れうる状態と流れない状態とを切り換える（超伝導電流をオンオフする）、切り換え手段を設けるようにした。この切り換え手段としては、例えば、上述したジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ）１０２または以降に示す熱ヒータ（加熱手段）または超伝導から構成された機械スイッチのいずれかを用いるようにすればよい。
はじめに、ＪＯＦＥＴ１０２により磁束転送器１０１を制御する手法について説明する。
【００４４】
＜実施の形態１＞
本実施の形態１では、超伝導体から構成された磁束転送器１０１に超伝導電流が流れうる状態と流れない状態と（オンオフ）を、ＪＯＦＥＴ１０２により作り出すことについて説明する。ＪＯＦＥＴ１０２のゲート電極にかかる電圧を変化させれば、超伝導電流のオンオフ制御ができる。ＪＯＦＥＴ１０２の具体的な構造やゲート電圧操作については、文献６「Ｔａｔｓｕｓｈｉ Ａｋａｚａｋｉ，Ｈｉｄｅａｋｉ Ｔａｋａｙａｎａｇｉ，Ｊｕｎｓａｋｕ Ｎｉｔｔａ，Ｔａｋａｔｏｍｏ Ｅｎｏｋｉ，“Ａ Ｊｏｓｅｈｓｏｎ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ａｎ ＩｎＡｓ−ｉｎｓｅｒｔｅｄ−ｃｈａｎｎｅｌ Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ／Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ−ｄｏｐｅｄ ｓｔｒｕｃｔｒｅ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，６８（１９９６）４１８」に述べられている。
【００４５】
図３は、ＪＯＦＥＴ１０２（図１）の構成例を概略的に示す斜視図である。図３に示す符号について説明すると、まず、３０７はニオブからなる超伝導体から構成されたソース電極、３０８はニオブからなる超伝導体から構成されたドレイン電極である。ソース電極３０７は、図１に示す電極部１０１ａに対応し、ドレイン電極３０８は、図１に示す電極部１０１ｂに対応している。
【００４６】
また、３０９はＩｎＡｓから構成されたチャネル層であり、チャネル層３０９に二次元電子ガスが形成される。３１０は、ゲート電極であり、図１のゲート配線１０３に接続している。また、３１１はｎ形不純物が導入されたＩｎＡｌＡｓからなるキャリヤ供給層、３１２はノンドープＩｎＡ１Ａｓ層、３１３はノンドープＩｎＧａＡｓ層、３１４はノンドープＩｎＡｌＡｓ層、３１５はＩｎＰからなる半導体基板である。
【００４７】
チャネル層３０９には、キャリヤ供給層３１１から、ノンドープＩｎＡ１Ａｓ層３１２，ノンドープＩｎＧａＡｓ層３１３を介して電子が供給され、供給された電子により二次元電子ガスが形成される。ゲート電極３１０にゲート電圧をかけると、チャネル層３０９に形成されている二次元電子ガスのキャリヤー濃度が変化する。このキャリヤー濃度の変化が、二次元電子ガス層に流れる超伝導電流を変化させる。図４は、ＪＯＦＥＴ１０２のゲート電圧特性を示す。グラフの横軸は電圧であり、縦軸は電流である。ゲート電圧Ｖｇが０Ｖの時は、電圧が０ｍＶの状態で超伝導電流が約５．５μＡ流れている。
【００４８】
これに、マイナス方向のゲート電圧を印加していくと、流れうる超伝導電流は少なくなり、Ｖｇ＝−１．１Ｖまで印加すると、ＪＯＦＥＴ１０２のソース・ドレイン間には電流がまったく流れなくなる。このようにＪＯＦＥＴ１０２の簡便なゲート電圧操作だけで、磁束転送器１０１に流れる超伝導電流を操作でき、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂ間の相互作用を簡便に制御することが可能である。また、ＪＯＦＥＴ１０２の二次元電子ガスが形成されるチャネル層３０９にはＩｎＡｓを使っているため、ゲート電圧操作によるＪＯＦＥＴ１０２の応答速度は早く、高速での相互作用の切り換えが可能である。
【００４９】
＜実施の形態２＞
つぎに、磁束転送器１０１のオンオフ制御を、磁束転送器１０１を加熱することで制御する場合について説明する。
図５は、本発明の他の形態における量子コンピュータの一部構成を示す平面図である。ここでは、磁束転送器１０１のオンオフ制御を、熱ヒータ（加熱手段）５０２により行うようにした。他の部分は、図１の量子コンピュータと同様である。
【００５０】
熱ヒータ５０２に通電せずに非加熱状態とした状態では、磁束転送器１０１はすべて超伝導状態となり、超伝導電流が流れうる状態となる。これに対し、熱ヒータ５０２に通電して過熱状態として磁束転送器１０１の一部を超伝導転移温度以上に加温し超伝導状態を壊せば、超伝導電流が流れない状態となる。
このように、熱ヒータ５０２の非加熱／加熱切り換え動作により、磁束転送器１０１のオンオフ制御が可能となり、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂ間の相互作用を簡便に制御することが可能となる。
【００５１】
＜実施の形態３＞
つぎに、磁束転送器１０１のオンオフ制御を、機械的な動作により行う機械スイッチにより作り出す場合について説明する。
図６は、本発明の他の形態における量子コンピュータの一部構成を示す平面図である。ここでは、磁束転送器１０１のオンオフ制御を、超伝導体から構成された機械スイッチ６０２により行うようにした。他の部分は、図１の量子コンピュータと同様である。機械スイッチ６０２は、例えば、ピエゾ素子などにより動作させればよい。
【００５２】
機械スイッチ６０２がＯＮで、磁束転送器１０１の回路が閉じている時には、機械スイッチ６０２が超伝導体であるため、超伝導電流が流れうる状態を作り出せる。機械スイッチ６０２をＯＦＦにし、磁束転送器１０１の回路を切断すると、超伝導電流が流れない状態を作り出せる。このように、機械スイッチ６０２の動作により、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂ間の相互作用を簡便に制御することが可能である。
【００５３】
量子コンピュータにおける演算は、先に述べたように量子ビットから構成された系の時間発展である。通常の量子コンピュータでは、量子ビット間の相互作用は切ることができず、この相互作用も各々の量子ビットとともに常に時間発展をする。従って、量子ビット間での演算が、好むと好まざるとによらず常に行われてしまう。このため、通常の相互作用を切れない量子ビットの系では、相互作用を打ち消すための別の操作を必要とする。
【００５４】
これに対し、上述した実施の形態における量子コンピュータでは、オンオフ制御を可能とした磁束転送器１０１を利用し、磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂ間の相互作用を随意の時間で切れるようにした。このため、相互作用を打ち消すための他の操作は必要なく、磁束転送器１０１をオンオフする各々の切り換え手段の簡便な動作を行うのみでよい。このため、本実施の形態によれば、量子コンピュータの演算において、より簡便で柔軟な演算が可能となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、切り換え手段による磁束転送器のオンオフにより、超伝導電流が流れることにより相互作用を持つ２つの磁束量子ビット間の相互作用を制御するようにした。この結果、本発明によれば、量子コンピュータの演算における量子ビット間の相互作用を、任意に制御できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における量子コンピュータの一部構成の例を示す平面図である。
【図２】磁束量子ビットと磁束転送器との等価的な回路を示す構成図である。
【図３】ＪＯＦＥＴ１０２（図１）の構成例を概略的に示す斜視図である。
【図４】ＪＯＦＥＴ１０２のゲート電圧特性を示す特性図である。
【図５】本発明の他の形態における量子コンピュータの一部構成を示す平面図である。
【図６】本発明の他の形態における量子コンピュータの一部構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１０１…磁束転送器（フラックストランスフォーマー）、１０２…ジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ：切り換え手段）、１０３…ゲート配線、１０４ａ，１０４ｂ…磁束量子ビット、１０５…ＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）、１０６ａ，１０６ｂ…制御ライン。
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子ビットを用いた量子コンピュータおよびこの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
「Ｐ．Ｗ．Ｓｈｏｒ」が、１９９５年に、大きな数の因数分解が、量子計算を使うと古典計算機に比べて圧倒的な速さで計算できることを示して以来、量子計算機の研究は理論，実験ともに急激に進んで来ている。量子コンピュータでは，量子ビットが古典的なコンピュータのビットに対応する。また、古典的なコンピュータにおける入力，演算，出力は、量子コンピュータにおける系の、初期状態の準備、系の時間発展、系の読み出しに対応する。量子コンピュータの一般的な解説は、文献１「細谷暁夫著、『量子コンピュータの基礎』、サイエンス社（１９９９年）」に述べられている。
【０００３】
量子コンピュータにおける基本要素となる量子ビットは、量子力学的な｜０＞状態と｜１＞状態の重ね合わせ状態で表される。この状態は、実験的には、量子的な二準位系にあたり、様々な量子的な二準位系を使った量子コンピュータが提案されている。これらの提案は、固体素子を用いたものと固体素子を用いないものとに分けることができる。固体素子は集積化が容易な点で有利であるが、素子周辺の環境による影響のため、量子的な状態を保つことが難しい。逆に、固体素子でないものは、集積化は難しいが周辺の環境の影響を受けにくい。
【０００４】
磁束量子ビットは、固体素子を用いた量子ビットの一種ではあるが、素子に超伝導体を使っており、超伝導ギャップの存在のため環境の影響を受けにくいと考えられている。また、同じく超伝導体を使った電荷量子ビットも提案されているが、磁束のノイズは電荷のノイズに比べて少ないので、この点においても磁束量子ビットは有利である。このため、磁束量子ビットは、集積化に有利でかつ環境の影響も受けにくい理想的な量子ビットであると考えられる。
【０００５】
量子コンピュータにおける演算は、量子系の時間発展になる。１つの量子ビットの演算である位相シフタと呼ばれる演算と、２つの量子ビットの演算である制御ＮＯＴと呼ばれる演算ができれば、原理的にすべて演算が可能であることが示されている。２つの量子ビットの演算のためには、２つの量子ビットが量子もつれ合い状態（ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｓｔａｔｅ）にある必要がある。このためには、２つの量子ビット間に相互作用が必要となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、いままでに提案されている量子コンピュータでは、通常この相互作用を随意に切ったり入れたりすることができない。例えば、現在最も多くの量子ビット数で実現されているＮＭＲ量子コンピュータにおいては、量子ビットは核スピンであり、量子ビット間の相互作用は核スピン同士の相互作用である。この相互作用は、素子としてどのような分子を選んだかによって決定されてしまい、核スピン同士の相互作用は常に存在している。
【０００７】
このため、上記ＮＭＲ量子コンピュータにおいて、量子ビット間は常に相互作用がある状態にある。量子コンピュータにおける演算がその系の時間発展であることを考えれば、常に相互作用が存在することは、常にビット間で演算を行っていることになる。これは任意の演算をさせるには好ましいことではなく、任意の演算を行うためには、常に行われている量子ビット間での相互作用を打ち消す別の操作が必要となる（文献１第５章参照）。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、量子コンピュータの演算における量子ビット間の相互作用を、任意に制御できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態における量子コンピュータは、２つの磁束量子ビットと、この２つの磁束量子ビット間に相互作用を作用させる磁束転送器とを備え、加えて、磁束転送器に流れる超伝導電流をオンオフする切り換え手段を備えるようにしたものである。
この量子コンピュータによれば、切り換え手段による磁束転送器のオンオフにより、超伝導電流が流れることにより相互作用を持つ２つの磁束量子ビット間の相互作用が制御される。
【００１０】
上記量子コンピュータにおいて、切り換え手段は、ジョセフソン接合電界効果トランジスタ、または磁束転送器の一部を加熱する加熱手段、または磁束転送器の一部に設けられた超伝導体から構成された機械スイッチのいずれかであればよい。
【００１１】
また、本発明の一形態における量子コンピュータの制御方法は、２つの磁束量子ビットと、この２つの磁束量子ビット間に相互作用を作用させる磁束転送器とを備えた量子コンピュータの演算を、磁束転送器に流れる超伝導電流をオンオフすることにより制御するようにしたものである。
この制御方法によれば、磁束転送器のオンオフにより、超伝導電流が流れることにより相互作用を持つ２つの磁束量子ビット間の相互作用が制御される。
【００１２】
上記量子コンピュータの制御方法において、磁束転送器に流れる超伝導電流のオンオフは、例えば、ジョセフソン接合電界効果トランジスタ、または磁束転送器の一部を加熱すること、または、磁束転送器の一部に設けた機械スイッチのいずれかにより行うようにすればよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における量子コンピュータの一部構成の例を示す平面図である。図１中に付けた符号について説明すると、まず、１０１は超伝導体から構成された磁束転送器（フラックストランスフォーマー）、１０２はジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ：切り換え手段）であり、磁束転送器１０１の電極部１０１ａ，１０１ｂに接続している。
【００１４】
また、１０３はジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ）のゲート電極に接続するゲート配線、１０４ａ，１０４ｂは磁束量子ビット、１０５は磁束量子ビットの状態を読み出すＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ：読み出し手段）、１０６ａ，１０６ｂは、磁場を作り出すことで各々の磁束量子ビットの状態を制御する制御ラインである。
【００１５】
また、１１４，１１５は、トンネル絶縁部からなるジョセフソン接合である。これらは、図示していない半導体基板上に絶縁膜を介して形成され、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂおよびＳＱＵＩＤ１０５は、例えばアルミニウムやニオブなどの、低温にすることで超伝導製を示す材料から構成すればよい。。同様に、磁束転送器１０１も、ニオブから構成すればよい。また、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂは、例えば、約５μｍ角に形成されている
【００１６】
このように構成することで、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂが作り出す磁束をＳＱＵＩＤ１０５で読み出し、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの状態が、｜０＞状態と｜１＞状態とのどちらの状態となっているかを検出することができる。
【００１７】
なお、３つのジョセフソン接合を用いた１つの磁束量子ビットについては、文献２「Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ，Ｔ．Ｐ．Ｏｒｌａｎｄｏ，Ｌ．Ｌｅｖｉｔｏｖ，Ｌｉｎ Ｔｉａｎ，Ｃａｓｐａｒ Ｈ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａｌ，Ｓｅｔｈ ＬＩｏｙｄ，“Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｑｕｂｉｔ”，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２８５（１９９９）１０３６」、文献３「Ｔ．Ｐ．Ｏｒｌａｎｄｏ，Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ，Ｌｉｎ Ｔｉａｎ，Ｃａｓｐａｒ Ｈ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａｌ，Ｌ．Ｓ．Ｌｅｖｉｔｏｖ，Ｓｅｔｈ Ｌｌｏｙｄ，Ｊ．Ｊ．Ｍａｚｏ，“Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｑｕｂｉｔ”，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ６０（１９９９）１５３９８」、文献４「Ｃａｓｐａｒ Ｈ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａｌ，Ａ．Ｃ．Ｊ．ｔｅｒ Ｈａａｒ，Ｆ．Ｋ．Ｗｉｌｈｅｌｍ，Ｒ．Ｎ．Ｓｃｈｏｕｔｅｎ，Ｃ．Ｊ．Ｐ．Ｍ．Ｈｒｍａｎｓ，Ｔ．Ｐ．Ｏｒｌａｎｄｏ，Ｓｅｔｈ Ｌｌｏｙｄ，Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ，”Ｑｕａｎｔｕｍ Ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｔａｔｅｓ”，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９０（２０００）７７３」に記載されている。
【００１８】
磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの状態は、磁場依存性を示す（文献４のＦｉｇ．１参照）。このため、外から加える磁場により、１つの磁束量子ビットの状態を、｜０＞状態と、｜１＞状態と、またはこれらの量子力学的な重ね合わせ状態とに制御できる。磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの状態に対する制御は、制御ライン１０６ａ，１０６ｂに電流を流し、この周りに磁場を発生させるにより行うことができる。
【００１９】
制御ライン１０６ａおよび制御ライン１０６ｂの周りに発生する磁場は、制御ライン１０６ａおよび制御ライン１０６ｂに流れる電流に比例し、かつ制御ライン１０６ａおよび制御ライン１０６ｂからの距離に反比例するので、磁束量子ビット１０４ａおよび磁束量子ビット１０４ｂの状態を個別に操作性良く制御できる。
【００２０】
図１では、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂとして３つのジョセフソン接合を用いたもので示しているが、本発明におけるＪＯＦＥＴを使用した磁束転送器１０１の作用は、他の磁束量子ビット場合でも同様である。他の磁束量子ビットに関しての一例として、１つのジョセフソン接合を用いた磁束量子ビットがある。これは文献５「ＪｏｎａｔｈＡＮ Ｒ．Ｆｒｉｅｄ−ｍａｎ，Ｖｉｊａｙ Ｐａｔｅｌ，Ｗ．Ｃｈｅｎ，Ｓ．Ｋ，Ｔｏｌｐｙｇｏ，Ｊ．Ｅ．Ｌｕｋｅｎｓ，“Ｑｕａｎｔｕｍ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍａｃｒｏ−ｓｃｏｐｉｃ ｓｔａｔｅｓ”，Ｎａｔｕｒｅ４０６（２０００）４３」に詳しく述べられている。
【００２１】
２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂは、磁束転送器１０１を流れる電流を通じて磁気的な相互作用を持ち、２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの量子もつれ合い状態（ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｓｔａｔｅ）を実現することができる。図２は、この磁気的な相互作用を模式的に説明するものである。図２では、超伝導体から構成された磁束転送器１０１を、２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂで挾んだ状態を、等価的に示している。
【００２２】
磁束量子ビット１０４ａ、磁束量子ビット１０４ｂ、磁束転送器１０１の自己インダクタンスを各々Ｌ１，Ｌ２，ＬＴとする。また、磁束量子ビット１０４ａと磁束転送器１０１との相互インダクタンスをＭ１とし、磁束量子ビット１０４ｂと磁束転送器１０１との相互インダクタンスをＭ２とする。
【００２３】
以下に、磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂとの磁気的な相互作用について考察する。
いま、磁束量子ビット１０４ａでの磁束がΔΦ１変化したとすると、この磁束の変化は、磁束量子ビット１０４ａの自己インダクタンスＬ１により、磁束量子ビット１０４ａに電流の変化ΔＩ１＝ΔΦ１／Ｌ１を引き起こす。
【００２４】
この磁束量子ビット１０４ａにおける電流の変化ΔＩ１は、磁束量子ビット１０４ａと磁束転送器１０１との相互インダクタンスＭ１により、磁束転送器１０１に磁束の変化ΔΦＴ＝Ｍ１ΔＩ１を引き起こす。この磁束転送器１０１での磁束の変化ΔΦＴは、磁束転送器１０１の自己インダクタンスＬＴにより、磁束転送器１０１に電流の変化ΔＩＴ＝ΔΦＴ／ＬＴを引き起こす。
【００２５】
この磁束転送器１０１における電流の変化ΔＩＴは、磁束転送器１０１と磁束量子ビット１０４ｂの相互インダクタンスＭ２により、磁束量子ビット１０４ｂに磁束の変化ΔΦ２＝Ｍ２ΔＩＴを引き起こす。従って、磁束量子ビット１０４ａでの磁束の変化ΔΦＴは、磁束転送器１０１に電流が流れることにより、磁束量子ビット１０４ｂにおいて、磁束の変化ΔΦ２＝Ｍ１Ｍ２ΔΦ１／Ｌ１ＬＴを引き起こすことになる。
【００２６】
このことは、磁束量子ビットの状態が磁場依存性を示すことを考えると、磁束量子ビット１０４ａの状態は、磁束量子ビット１０４ｂの状態に変化を与え、相互作用を持つことを意味する。すなわち、磁束量子ビット１０４ａの状態が、｜０＞状態か｜１＞状態によって、磁束量子ビット１０４ｂの状態も影響を受ける。この逆も同様であり、２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂは、相互作用を持つことになる。
【００２７】
ここで、磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂの直接の相互インダクタンスは、考慮する必要はない。なぜなら、この直接の相互インダクタンスの大きさは、磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂとを充分遠くに離せば、小さな値となるからである。この時、直接の相互作用は、磁束転送器１０１を通した相互作用の大きさに比べて小さく無視できる。
【００２８】
図１において、磁束転送器１０１は、２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂを囲むように配置している。しかし、図２の模式図からも分かるように、磁束転送器１０１と各々の磁束量子ビットとの相互インダクタンスを通し、磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂとが磁気的に相互作用していれば、磁束転送器は、どのような配置，形状であろうと、同様の相互作用の効果が得られる。
【００２９】
図１に示す量子コンピュータにおける磁束転送器１０１を使った磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの系においては、相互作用のエネルギーは、磁束転送器１０１の自己インダクタンスＬＴと、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂとの相互インダクタンスＭ１，Ｍ２の大きさと、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂを流れる電流Ｉ１，Ｉ２により決まる。
【００３０】
磁束量子ビット１０４ａでの磁束の変化ΔΦは、磁束量子ビット１０４ｂにおける磁束の変化ΔΦ２＝Ｍ１Ｍ２ΔΦ１／Ｌ１ＬＴを引き起こす。よって、磁束量子ビット１０４ｂが受けた仕事（エネルギー）は、
Ｉ２ΔΦ２＝Ｍ１Ｍ２Ｉ２ΔΦ１／Ｌ１ＬＴ＝Ｍ１Ｍ２Ｉ２ΔＩ１／ＬＴ，ΔΦ１＝Ｌ１ΔＩ１
である。
また、磁束量子ビット１０４ｂが受けた仕事（エネルギー）は、相互作用のエネルギーと考えられ、相互作用のエネルギーをＪとおくと、Ｊ＝Ｍ１Ｍ２Ｉ２Ｉ１／ＬＴで表される。
【００３１】
量子コンピュータの演算には、量子もつれ合い状態（ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｓｔａｔｅ）が必要になる。本実施の形態の磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂにおいては、上述した磁気的な相互作用により、量子もつれ合い状態が実現できる。相互作用で結ばれた磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂが、時間発展することにより、量子もつれ合い状態になる。
いまｚ軸方向のパウリのスピン行列をσｚとし、相互作用のハミルトニアンをＨｉｎｔとすると、相互作用のエネルギーＪを使って、
【００３２】
【数１】
となる。ここで、σ１ｚは磁束量子ビット１０４ａの磁束のｚ成分，σ２ｚは磁束量子ビット１０４ｂの磁束のｚ成分であり、Ｈｉｎｔは、σ１ｚとσ２ｚの直積に、相互作用のエネルギーＪを乗じたものである。
この相互作用で結ばれた２つの磁束量子ビットが、時間発展する。
【００３４】
磁束量子ビット１０４ａの状態を｜ａ＞とし、磁束量子ビット１０４ｂの状態を｜ｂ＞とする。まずはじめに、磁束転送器１０１が超伝導電流を流さない状態にあり、磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂとの間には相互作用がないとする。磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂの初期状態を、｜０＞状態と｜１＞状態とが等しく存在する状態とし、各々の状態を、
｜Ｉ＞＝（｜０＞＋｜１＞）／√２，｜ＩＩ＞＝（｜０＞＋｜１＞）／√２
とする。これらは、Ｘ軸方向のパウリのスピン行列σｘの固有ベクトルである。
【００３５】
この時の２つの量子ビットの状態は、
｜Ｉ＞｜ＩＩ＞＝（｜０＞｜０＞＋｜０＞｜１＞＋｜１＞｜１＞）／２
となる。時刻ｔ＝０に磁束転送器１０１が、超伝導電流を流せる状態に変わり、２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの状態が、相互作用を持つ状態に変わり、これらによる系が時間発展していく。
【００３６】
つぎに、時刻ｔでの２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの状態を｜Ψ（ｔ）＞とする。状態｜Ψ（ｔ）＞は、相互作用の影響を受けて時間発展していき、この時間依存性は、
｜Ψ（ｔ）＞＝ｅｘｐ（−２πｉＨｉｎｔｔ／ｈ）｜Ψ（０）＞，｜Ψ（０）＞＝｜Ｉ＞｜ＩＩ＞
となる。
【００３７】
上記時間依存性の式に相互作用のハミルトニアンを代入すると、
｜Ψ（ｔ）＞＝｛ｅｘｐ（−２πｉＪｔ／ｈ）｜０＞｜０＞＋ｅｘｐ（２πｉＪｔ／ｈ）｜０＞｜１＞＋ｅｘｐ（２πｉＪｔ／ｈ）｜１＞｜０＞＋ｅｘｐ（−２πｉＪｔ／ｈ）｜１＞｜１＞｝／２
となる。
いま、時刻ｔ＝ｈ／（８Ｊ）を考える。この時刻の系の状態は、
｜Ψ（ｔ）＞＝｛（１−ｉ）｜０＞｜０＞＋（１＋ｉ）｜０＞｜１＞十（１＋ｉ）｜１＞｜０＞＋（１−ｉ）｜１＞｜１＞｝／２√２
となる。
【００３８】
このままでは、この系の状態が、直観的には分からない。このため、初期状態に使ったｘ軸方向のパウリのスピン行列σｘの固有ベクトルで、この系を書き直してみる。ｘ軸方向のパウリのスピン行列σｘの固有ベクトルは、
｜ｘ＋＞＝（｜０＞＋｜１＞）／√２，｜ｘ−＞＝（｜０＞−｜１＞）／√２
である。
これを用いて｜Ψ（ｔ）＞を書き直すと、
｜Ψ（ｔ）＞＝（｜ｘ＋＞｜ｘ＋＞−ｉ｜ｘ−＞｜ｘ−＞｝／√２
となる。
【００３９】
時刻ｔ＝ｈ／（８Ｊ）においては、各々の量子ビットの状態からだけでは、２つの量子ビットの系全体を表すことができない。これは、系の状態が各々の量子ビットの状態で分離して表示することができず、古典的な状態ではあり得ない量子力学的な状態である。この状態が、前述した、量子がもつれ合いした状態（ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｓｔａｔｅ）である。
２つの磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの間に、磁束転送器１０１によって相互作用を与えることで、上述した量子コンピュータの演算に必要な量子もつれ合い状態が実現できる。
【００４０】
本実施の形態の磁束転送器１０１の場合、実際の試料の形状や配置から、この相互作用の大きさを見積もると、Ｊ＝０．３４［ＧＨｚ］＝１．４１［μｅＶ］程度になる。このときの２つの磁束量子ビット系が、量子もつれ合い状態になる時間は、０．３７［ｎＳ］程度である。これは、１秒間に最大２７億回（２．７ＧＨｚ）の演算ができることに対応する。
【００４１】
前述したように、磁束転送器１０１に流れる電流を通し、磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂは、相互作用する。ここで、磁束転送器１０１に流れる電流のオンオフを制御できれば、２つの磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂとの間の相互作用の発生を制御できる。これらの制御が可能になれば、任意の時刻に磁束量子ビット間で相互作用させることができる。
【００４２】
また、任意の時刻に相互作用を切り、個別に磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの状態を制御ライン１０６ａ，１０６ｂにより制御することもできる。このように任意に磁束量子ビット間の相互作用を制御できる点は、他の量子ビット系と異なり、制御可能な磁束転送器１０１を利用した、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂ系における大きな利点である。
【００４３】
本実施の形態では、超伝導体から構成された磁束転送器１０１に、超伝導電流が流れうる状態と流れない状態とを切り換える（超伝導電流をオンオフする）、切り換え手段を設けるようにした。この切り換え手段としては、例えば、上述したジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ）１０２または以降に示す熱ヒータ（加熱手段）または超伝導から構成された機械スイッチのいずれかを用いるようにすればよい。
はじめに、ＪＯＦＥＴ１０２により磁束転送器１０１を制御する手法について説明する。
【００４４】
＜実施の形態１＞
本実施の形態１では、超伝導体から構成された磁束転送器１０１に超伝導電流が流れうる状態と流れない状態と（オンオフ）を、ＪＯＦＥＴ１０２により作り出すことについて説明する。ＪＯＦＥＴ１０２のゲート電極にかかる電圧を変化させれば、超伝導電流のオンオフ制御ができる。ＪＯＦＥＴ１０２の具体的な構造やゲート電圧操作については、文献６「Ｔａｔｓｕｓｈｉ Ａｋａｚａｋｉ，Ｈｉｄｅａｋｉ Ｔａｋａｙａｎａｇｉ，Ｊｕｎｓａｋｕ Ｎｉｔｔａ，Ｔａｋａｔｏｍｏ Ｅｎｏｋｉ，“Ａ Ｊｏｓｅｈｓｏｎ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ａｎ ＩｎＡｓ−ｉｎｓｅｒｔｅｄ−ｃｈａｎｎｅｌ Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ／Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ−ｄｏｐｅｄ ｓｔｒｕｃｔｒｅ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，６８（１９９６）４１８」に述べられている。
【００４５】
図３は、ＪＯＦＥＴ１０２（図１）の構成例を概略的に示す斜視図である。図３に示す符号について説明すると、まず、３０７はニオブからなる超伝導体から構成されたソース電極、３０８はニオブからなる超伝導体から構成されたドレイン電極である。ソース電極３０７は、図１に示す電極部１０１ａに対応し、ドレイン電極３０８は、図１に示す電極部１０１ｂに対応している。
【００４６】
また、３０９はＩｎＡｓから構成されたチャネル層であり、チャネル層３０９に二次元電子ガスが形成される。３１０は、ゲート電極であり、図１のゲート配線１０３に接続している。また、３１１はｎ形不純物が導入されたＩｎＡｌＡｓからなるキャリヤ供給層、３１２はノンドープＩｎＡ１Ａｓ層、３１３はノンドープＩｎＧａＡｓ層、３１４はノンドープＩｎＡｌＡｓ層、３１５はＩｎＰからなる半導体基板である。
【００４７】
チャネル層３０９には、キャリヤ供給層３１１から、ノンドープＩｎＡ１Ａｓ層３１２，ノンドープＩｎＧａＡｓ層３１３を介して電子が供給され、供給された電子により二次元電子ガスが形成される。ゲート電極３１０にゲート電圧をかけると、チャネル層３０９に形成されている二次元電子ガスのキャリヤー濃度が変化する。このキャリヤー濃度の変化が、二次元電子ガス層に流れる超伝導電流を変化させる。図４は、ＪＯＦＥＴ１０２のゲート電圧特性を示す。グラフの横軸は電圧であり、縦軸は電流である。ゲート電圧Ｖｇが０Ｖの時は、電圧が０ｍＶの状態で超伝導電流が約５．５μＡ流れている。
【００４８】
これに、マイナス方向のゲート電圧を印加していくと、流れうる超伝導電流は少なくなり、Ｖｇ＝−１．１Ｖまで印加すると、ＪＯＦＥＴ１０２のソース・ドレイン間には電流がまったく流れなくなる。このようにＪＯＦＥＴ１０２の簡便なゲート電圧操作だけで、磁束転送器１０１に流れる超伝導電流を操作でき、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂ間の相互作用を簡便に制御することが可能である。また、ＪＯＦＥＴ１０２の二次元電子ガスが形成されるチャネル層３０９にはＩｎＡｓを使っているため、ゲート電圧操作によるＪＯＦＥＴ１０２の応答速度は早く、高速での相互作用の切り換えが可能である。
【００４９】
＜実施の形態２＞
つぎに、磁束転送器１０１のオンオフ制御を、磁束転送器１０１を加熱することで制御する場合について説明する。
図５は、本発明の他の形態における量子コンピュータの一部構成を示す平面図である。ここでは、磁束転送器１０１のオンオフ制御を、熱ヒータ（加熱手段）５０２により行うようにした。他の部分は、図１の量子コンピュータと同様である。
【００５０】
熱ヒータ５０２に通電せずに非加熱状態とした状態では、磁束転送器１０１はすべて超伝導状態となり、超伝導電流が流れうる状態となる。これに対し、熱ヒータ５０２に通電して過熱状態として磁束転送器１０１の一部を超伝導転移温度以上に加温し超伝導状態を壊せば、超伝導電流が流れない状態となる。
このように、熱ヒータ５０２の非加熱／加熱切り換え動作により、磁束転送器１０１のオンオフ制御が可能となり、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂ間の相互作用を簡便に制御することが可能となる。
【００５１】
＜実施の形態３＞
つぎに、磁束転送器１０１のオンオフ制御を、機械的な動作により行う機械スイッチにより作り出す場合について説明する。
図６は、本発明の他の形態における量子コンピュータの一部構成を示す平面図である。ここでは、磁束転送器１０１のオンオフ制御を、超伝導体から構成された機械スイッチ６０２により行うようにした。他の部分は、図１の量子コンピュータと同様である。機械スイッチ６０２は、例えば、ピエゾ素子などにより動作させればよい。
【００５２】
機械スイッチ６０２がＯＮで、磁束転送器１０１の回路が閉じている時には、機械スイッチ６０２が超伝導体であるため、超伝導電流が流れうる状態を作り出せる。機械スイッチ６０２をＯＦＦにし、磁束転送器１０１の回路を切断すると、超伝導電流が流れない状態を作り出せる。このように、機械スイッチ６０２の動作により、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂ間の相互作用を簡便に制御することが可能である。
【００５３】
量子コンピュータにおける演算は、先に述べたように量子ビットから構成された系の時間発展である。通常の量子コンピュータでは、量子ビット間の相互作用は切ることができず、この相互作用も各々の量子ビットとともに常に時間発展をする。従って、量子ビット間での演算が、好むと好まざるとによらず常に行われてしまう。このため、通常の相互作用を切れない量子ビットの系では、相互作用を打ち消すための別の操作を必要とする。
【００５４】
これに対し、上述した実施の形態における量子コンピュータでは、オンオフ制御を可能とした磁束転送器１０１を利用し、磁束量子ビット１０４ａと磁束量子ビット１０４ｂ間の相互作用を随意の時間で切れるようにした。このため、相互作用を打ち消すための他の操作は必要なく、磁束転送器１０１をオンオフする各々の切り換え手段の簡便な動作を行うのみでよい。このため、本実施の形態によれば、量子コンピュータの演算において、より簡便で柔軟な演算が可能となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、切り換え手段による磁束転送器のオンオフにより、超伝導電流が流れることにより相互作用を持つ２つの磁束量子ビット間の相互作用を制御するようにした。この結果、本発明によれば、量子コンピュータの演算における量子ビット間の相互作用を、任意に制御できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における量子コンピュータの一部構成の例を示す平面図である。
【図２】磁束量子ビットと磁束転送器との等価的な回路を示す構成図である。
【図３】ＪＯＦＥＴ１０２（図１）の構成例を概略的に示す斜視図である。
【図４】ＪＯＦＥＴ１０２のゲート電圧特性を示す特性図である。
【図５】本発明の他の形態における量子コンピュータの一部構成を示す平面図である。
【図６】本発明の他の形態における量子コンピュータの一部構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１０１…磁束転送器（フラックストランスフォーマー）、１０２…ジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ：切り換え手段）、１０３…ゲート配線、１０４ａ，１０４ｂ…磁束量子ビット、１０５…ＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）、１０６ａ，１０６ｂ…制御ライン。
Claims (8)
- ２つの磁束量子ビットと、この２つの磁束量子ビット間に相互作用を作用させる磁束転送器とを備えた量子コンピュータにおいて、
前記磁束転送器に流れる超伝導電流をオンオフする切り換え手段を備えたことを特徴とする量子コンピュータ。 - 請求項１記載の量子コンピュータにおいて、
前記切り換え手段は、ジョセフソン接合電界効果トランジスタであることを特徴とする量子コンピュータ。 - 請求項１記載の量子コンピュータにおいて、
前記切り換え手段は、前記磁束転送器の一部を加熱する加熱手段であることを特徴とする量子コンピュータ。 - 請求項１記載の量子コンピュータにおいて、
前記切り換え手段は、前記磁束転送器の一部に設けられた超伝導体から構成された機械スイッチであることを特徴とする量子コンピュータ。 - ２つの磁束量子ビットと、この２つの磁束量子ビット間に相互作用を作用させる磁束転送器とを備えた量子コンピュータにおいて、
前記磁束転送器に流れる超伝導電流をオンオフすることにより前記量子コンピュータの演算を制御する
ことを特徴とする量子コンピュータの制御方法。 - 請求項５記載の量子コンピュータの制御方法において、
前記磁束転送器に流れる超伝導電流のオンオフは、ジョセフソン接合電界効果トランジスタにより行う
ことを特徴とする量子コンピュータの制御方法。 - 請求項５記載の量子コンピュータの制御方法において、
前記磁束転送器に流れる超伝導電流のオンオフは、前記磁束転送器の一部を加熱することにより行う
ことを特徴とする量子コンピュータの制御方法。 - 請求項５記載の量子コンピュータの制御方法において、
前記磁束転送器に流れる超伝導電流のオンオフは、前記磁束転送器の一部に設けた機械スイッチにより行う
ことを特徴とする量子コンピュータの制御方法。
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