JP4524784B2 - Superconducting quantum multibit device and integrated circuit using the same - Google Patents

Superconducting quantum multibit device and integrated circuit using the same Download PDF

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Description

本発明は、量子計算機に用いることができ、量子もつれ状態を生成することができる超伝導量子マルチビット素子及びそれを用いた集積回路に関する。   The present invention relates to a superconducting quantum multibit device that can be used in a quantum computer and can generate a entangled state, and an integrated circuit using the same.

量子コンピューター(非特許文献1参照)では、状態の重ね合わせが可能であるため古典的コンピューターで行うことのできない演算を行なうことができる。量子コンピューターは、理論的には複数の入力を備えた計算を行なうことができ、重ね合わせ状態の生成は、量子コンピューターの演算に不可欠な機能である。   A quantum computer (see Non-Patent Document 1) can perform operations that cannot be performed by a classical computer because states can be superimposed. Theoretically, the quantum computer can perform calculations with a plurality of inputs, and the generation of the superposition state is an indispensable function for the operation of the quantum computer.

超伝導、特に、超伝導量子干渉素子を用いた量子ビットは、量子コンピューターを実現するための固体量子演算素子として提案されている(非特許文献2参照)。超伝導量子干渉素子を用いた、単一量子ビットの全動作制御は最近実証された(非特許文献3参照)。そして、量子ビットのコヒーレンス時間がマイクロ秒に達することが報告されている(非特許文献4参照)。   A qubit using a superconducting, particularly a superconducting quantum interference device, has been proposed as a solid state quantum arithmetic device for realizing a quantum computer (see Non-Patent Document 2). All operation control of a single qubit using a superconducting quantum interference device has recently been demonstrated (see Non-Patent Document 3). It has been reported that the coherence time of qubits reaches microseconds (see Non-Patent Document 4).

最近、単一量子ビットとLC共振器とを組み合わせた構成で重要な実験が行なわれ、2つの量子ビット系の間の結合が示され、この結合系の時間領域での操作が報告された(非特許文献5参照)。   Recently, an important experiment was carried out in a configuration combining a single qubit and an LC resonator, and the coupling between two qubit systems was shown and the operation of this coupled system in the time domain was reported ( Non-patent document 5).

量子コンピューターの量子演算素子としては、各量子ビットの重ね合わせ状態を行なう機能だけではなく、各量子ビットの量子状態が互いに絡まりあった状態となる、所謂エンタングルメント状態を実現する必要がある。エンタングルメント状態は、量子絡み合い又は量子もつれ状態と呼ばれている。量子ビットの個数をNとし、量子もつれ状態で利用すると、同時に入力できるデータは2N 通りになる。仮に、量子ビットの数Nを40とすると、約1兆通りの入力パラメーターを同時に1組の演算回路で計算できることになる。この量子もつれ状態を示す指標としては、コンカレンスが知られている(非特許文献6参照)。 As a quantum operation element of a quantum computer, it is necessary to realize a so-called entanglement state in which the quantum states of the qubits are entangled with each other as well as the function of superimposing the qubits. The entanglement state is called a quantum entanglement or quantum entanglement state. If the number of qubits is N, and it is used in a entangled state, 2 N types of data can be input simultaneously. If the number N of qubits is 40, about 1 trillion input parameters can be calculated simultaneously by a set of arithmetic circuits. As an index indicating the quantum entangled state, concurrence is known (see Non-Patent Document 6).

量子もつれ状態を生成する量子ビットに関しては、2つの超伝導電荷量子ビット素子間を電気容量素子で結合した超伝導電荷量子マルチビット素子が、特許文献1に開示されている。   Regarding a qubit that generates a entangled state, a superconducting charge quantum multi-bit device in which two superconducting charge qubit devices are coupled by a capacitance device is disclosed in Patent Document 1.

仮想準位を介して量子もつれ状態を生成させることが、非特許文献7〜11等で提案されている。量子もつれ状態において、量子ビットのエネルギーが基底状態と励起状態との間で振動するが、この振動をラビ振動と呼んでいる。この振動の周波数はラビ周波数と呼ばれている。量子もつれ状態を生成させるために、1つ以上の駆動周波数を用いたり(非特許文献8参照)、可変結合機構を用いることが提案されている(非特許文献9〜11参照)。ここで、可変結合機構とは、量子もつれ状態を発生させるために、量子ビットと量子ビットとの相互作用を自在に制御する機構であり、例えば、ある強度と周波数の組み合わせからなる高周波パルス列などを用いることができる。   Non-Patent Documents 7 to 11 propose to generate a entangled state via a virtual level. In the entangled state, the energy of the qubit oscillates between the ground state and the excited state, and this oscillation is called Rabi oscillation. The frequency of this vibration is called the rabbi frequency. In order to generate a entangled state, it has been proposed to use one or more drive frequencies (see Non-Patent Document 8) or to use a variable coupling mechanism (see Non-Patent Documents 9 to 11). Here, the variable coupling mechanism is a mechanism that freely controls the interaction between qubits and qubits in order to generate a entangled state, for example, a high-frequency pulse train composed of a combination of a certain intensity and frequency. Can be used.

特開2005−57068号公報JP-A-2005-57068 G. Wendin 他1名, "Superconducting Qubit", Cond-mat., 0508729 (2005)G. Wendin and 1 other, "Superconducting Qubit", Cond-mat., 0508729 (2005) J. E. Mooij 他5名, "Josephson Persistent-Current Qubit", SCIENCE, vol. 285, pp. 1036 (1999)J. E. Mooij and 5 others, "Josephson Persistent-Current Qubit", SCIENCE, vol. 285, pp. 1036 (1999) T. Kutsuzawa 他5名, “Coherent Controll of a Flux Qubit by Phase-shifted Resonant Microwave Pulses", Appl. Phys. Lett., Vol.87, p.073501 (2005)T. Kutsuzawa and five others, “Coherent Controll of a Flux Qubit by Phase-shifted Resonant Microwave Pulses”, Appl. Phys. Lett., Vol.87, p.073501 (2005) P. Bertet 他6名, "Relaxation and Dephasing in a Flux-Qubit", Cond-mat., 0508729 (2005)P. Bertet and 6 others, "Relaxation and Dephasing in a Flux-Qubit", Cond-mat., 0508729 (2005) I. Chiorescu 他5名, "Coherent Quantum Dynamics of a Superconducting Flux Qubit", Nature, Vol.431, pp.159-162 (2004)I. Chiorescu and 5 others, "Coherent Quantum Dynamics of a Superconducting Flux Qubit", Nature, Vol.431, pp.159-162 (2004) W. K. Wotters, "Entanglement of Formation of an Arbitrary State of Two Qubits", Phys. Rev. Lett., Vol.80, p.2245 (1998)W. K. Wotters, "Entanglement of Formation of an Arbitrary State of Two Qubits", Phys. Rev. Lett., Vol.80, p.2245 (1998) A. Sorensen 他1名, "Multiparticle Entanglement of Hot Trapped Ions", Phys. Rev. Lett., Vol.82, p.1971 (1999)A. Sorensen and 1 other, "Multiparticle Entanglement of Hot Trapped Ions", Phys. Rev. Lett., Vol.82, p.1971 (1999) C. Rigetti 他2名, "Protocol for Universal Gates in Optimally Biased Superconducting Flux Qubit", Phys. Rev. Lett., Vol.94, p. 240502(2005)C. Rigetti and two others, "Protocol for Universal Gates in Optimally Biased Superconducting Flux Qubit", Phys. Rev. Lett., Vol.94, p. 240502 (2005) L. F. Wei 他2名, "Quantum Computation with Josephson Qubits Using a Current-biased Information Bus", Phys. Rev. B, Vol.71, p.134506 (2005)L. F. Wei and 2 others, "Quantum Computation with Josephson Qubits Using a Current-biased Information Bus", Phys. Rev. B, Vol.71, p.134506 (2005) D. A. Averin 他1名, "Variable Electrostatic Transformer: Controllable Coupling of Two Charge Qubits", Phys. Rev. Lett., Vol.91, p.057003 (2003)D. A. Averin and 1 other, "Variable Electrostatic Transformer: Controllable Coupling of Two Charge Qubits", Phys. Rev. Lett., Vol.91, p.057003 (2003) B. L. T. Plourde 他9名, "Entangling flux qubits with a bipolar dynamic inductance", Phys. Rev. B, Vol.70, p.140501 (2004)B. L. T. Plourde and 9 others, "Entangling flux qubits with a bipolar dynamic inductance", Phys. Rev. B, Vol.70, p.140501 (2004)

しかしながら、非特許文献8〜11で提案されている従来の量子演算素子の場合には、2つの量子ビットの間に量子もつれ状態を生成させるためには、複数の高周波パルス源が必要であり、量子もつれ状態を実現するためには構成が複雑になるという課題がある。   However, in the case of the conventional quantum arithmetic elements proposed in Non-Patent Documents 8 to 11, a plurality of high-frequency pulse sources are required to generate a entangled state between two qubits, In order to realize the entangled state, there is a problem that the configuration becomes complicated.

本発明は、上記課題に鑑み、特に、量子ビット間における量子もつれ状態を、高速に、簡単に、かつ、信頼性よく生成することができる、超伝導量子マルチビット素子及びそれを用いた集積回路を提供することを目的としている。   In view of the above problems, the present invention provides a superconducting quantum multibit device capable of generating a entangled state between qubits in a fast, simple and reliable manner, and an integrated circuit using the same. The purpose is to provide.

上記目的を達成するために、本発明の超伝導量子マルチビット素子は、複数の超伝導量子ビット素子と、各超伝導量子ビット素子のインダクタンス電磁結合する第1の線路と、第1の線路に接続される共振器と、各超伝導量子ビット素子のインダクタンスと電磁結合し、高周波パルスが送出される第2の線路と、を備え、各超伝導量子ビット素子は3つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、各超伝導量子ビット素子は互いに電磁結合しないように配置されており、共振器の共振周波数は各超伝導量子ビット素子のエネルギーとは共鳴しない周波数であり、高周波パルスは2つの超伝導量子ビット素子のエネルギーの和に相当する周波数を含み、各超伝導量子ビット素子への高周波パルスの印加により各超伝導量子ビット素子間に量子もつれ状態を生成することを特徴とする
To achieve the above object, a superconducting quantum multi-bit element of the present invention, a plurality of superconducting quantum bit element, a first line for inductance and electromagnetic coupling of the respective superconducting qubit device, first line It is the a resonator, and inductance and electromagnetic coupling of the respective superconducting qubit element connected to includes a second line frequency pulse is delivered, the respective superconducting qubit element has three Josephson junctions It consists of superconducting quantum interference elements, and each superconducting qubit element is arranged so as not to be electromagnetically coupled to each other . The resonance frequency of the resonator is a frequency that does not resonate with the energy of each superconducting qubit element, includes frequencies corresponding to the sum of the energy of the two superconducting qubit elements, each superconducting quantum bits by application of the RF pulse to the superconducting qubit element And generating an entangled state between elements.

上記構成において、好ましくは、量子もつれ状態が、共振器と各超伝導量子ビット素子との間の電磁的結合度又は高周波パルスの電力振幅に比例して制御される。
In the above configuration , preferably, the entangled state is controlled in proportion to the degree of electromagnetic coupling between the resonator and each superconducting qubit element or the power amplitude of the high-frequency pulse.

上記構成によれば、3つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなる超伝導量子ビット素子間における量子もつれ状態を、高速に、簡単に、かつ、信頼性よく生成することができる。   According to the above configuration, a entangled state between superconducting qubit devices composed of superconducting quantum interference devices having three Josephson junctions can be generated quickly, easily and reliably.

本発明の超伝導量子マルチビット素子を用いた集積回路は、複数の超伝導量子ビット素子と、各超伝導量子ビット素子のインダクタンス電磁結合する第1の線路と、第1の線路に接続される共振器と、各超伝導量子ビット素子のインダクタンスと電磁結合し、高周波パルスが送出される第2の線路と、各超伝導量子ビット素子の量子状態の読み出しをする読み出し回路と、を備え、各超伝導量子ビット素子は3つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、各超伝導量子ビット素子は互いに電磁結合しないように配置されており、共振器の共振周波数は各超伝導量子ビット素子のエネルギーとは共鳴しない周波数であり、高周波パルスは2つの超伝導量子ビット素子のエネルギーの和に相当する周波数を含み、各超伝導量子ビット素子への高周波パルスの印加により各超伝導量子ビット素子間に量子もつれ状態を生成して読み出すことを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、量子もつれ状態が、共振器と各超伝導量子ビット素子との間の電磁的結合度又は高周波パルスの電力振幅に比例して制御される
上記構成によれば、3つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなる超伝導量子ビット素子間における量子もつれ状態を、高速に、簡単に、かつ、信頼性よく生成し、各超伝導量子ビット素子の量子状態の読み出し回路を備えた集積回路を提供することができる。
Integrated circuit using a superconducting quantum multi-bit element of the present invention is connected to a plurality of superconducting quantum bit element, a first line for inductance and electromagnetic coupling of the respective superconducting qubit device, the first line a resonator that, by inductance and electromagnetic coupling of the respective superconducting qubit device, comprising: a second line frequency pulse is delivered, and a read circuit for reading the quantum state of each superconducting qubit element, each superconducting qubit device comprises a superconducting quantum interference device having a three Josephson junctions, each superconducting quantum bit element are arranged so as not to electromagnetically coupled to each other, the resonant frequency of the resonator each superconducting quantum the energy of the bit element is a frequency which is not resonant, high-frequency pulse comprises a frequency corresponding to the sum of the energy of the two superconducting qubit elements, each superconducting quantum The application of the RF pulse to Tsu preparative element and wherein the reading to generate entangled state between the superconducting qubit device.
In the above configuration, preferably, the entangled state is controlled in proportion to the degree of electromagnetic coupling between the resonator and each superconducting qubit element or the power amplitude of the high-frequency pulse .
According to the above configuration, a entangled state between superconducting qubit devices composed of superconducting quantum interference devices having three Josephson junctions can be generated quickly, easily and reliably, and each superconducting quantum An integrated circuit including a readout circuit of a quantum state of a bit element can be provided.

上記構成において、好ましくは、読み出し回路が、超伝導量子ビット素子に電磁結合する2つのジョセフソン接合を備えた超伝導量子干渉素子により構成される。
この構成によれば、超伝導量子ビット素子間に量子もつれ状態を生成し、かつ、各超伝導量子ビット素子の量子状態が、隣接して配置される読み出し回路により読み出すことができる。
In the above configuration, preferably, the readout circuit is configured by a superconducting quantum interference device including two Josephson junctions electromagnetically coupled to the superconducting qubit device.
According to this configuration, a entangled state can be generated between the superconducting qubit devices, and the quantum state of each superconducting qubit device can be read out by the reading circuit arranged adjacently.

本発明の超伝導量子マルチビット素子によれば、各超伝導量子ビット素子が3つのジョセフソン接合からなる簡単な構成であり、各超伝導量子ビット素子に電磁結合する共振器により、量子もつれ状態を、高速に、かつ、信頼性よく生成することができる。   According to the superconducting quantum multibit device of the present invention, each superconducting qubit device has a simple configuration consisting of three Josephson junctions, and is coupled to each superconducting qubit device by a resonator that is electromagnetically coupled. Can be generated at high speed and with high reliability.

また、本発明の超伝導量子マルチビット素子を用いた集積回路によれば、各超伝導量子ビット素子の量子状態を、各超伝導量子ビット素子の近接して配置した読み出し回路で読み出すことができる。   In addition, according to the integrated circuit using the superconducting quantum multibit device of the present invention, the quantum state of each superconducting qubit device can be read out by a readout circuit arranged close to each superconducting qubit device. .

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
最初に、本発明による超伝導量子マルチビット素子について説明する。
図1は本発明による超伝導量子マルチビット素子の構成を示す模式的な平面図である。図示するように、本発明の超伝導量子マルチビット素子10は、超伝導量子干渉素子からなる超伝導量子ビット素子1,2〜Nと、各超伝導量子ビット素子の上部にあるインダクタンス1a,2a〜Naを介して電磁結合(誘導結合とも呼ばれる)する共振器11と、を含んで構成されている。そして、各超伝導量子ビット素子1,2〜Nの下部にある相互インダクタンス1b,2b〜Nbを介して電磁結合している、後述する第2の線路14が配置されている。第2の線路14には、高周波パルス源12が印加される。
ここで、高周波パルス源12は、第2の線路14に高周波からマイクロ波の周波数を印加、すなわち、給電する電源である。この高周波パルス源12は高周波のパルス又はパルス列を発生できる電源であればよいが、以下においては、高周波パルス電源12は高周波パルス発生装置として説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same or corresponding members are denoted by the same reference numerals.
First, a superconducting quantum multibit device according to the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic plan view showing a configuration of a superconducting quantum multibit device according to the present invention. As shown in the figure, a superconducting quantum multibit device 10 of the present invention includes superconducting qubit devices 1 and 2 to N made of superconducting quantum interference devices, and inductances 1a and 2a located above each superconducting qubit device. And the resonator 11 that is electromagnetically coupled (also referred to as inductive coupling) via Na. And the 2nd track | line 14 mentioned later which is electromagnetically coupled via the mutual inductance 1b and 2b-Nb under each superconducting qubit element 1,2-N is arrange | positioned. A high frequency pulse source 12 is applied to the second line 14.
Here, the high-frequency pulse source 12 is a power source that applies a microwave frequency from a high frequency to the second line 14, that is, a power supply. The high-frequency pulse source 12 may be any power source capable of generating a high-frequency pulse or pulse train. In the following description, the high-frequency pulse power source 12 will be described as a high-frequency pulse generator.

超伝導量子ビット素子1,2〜Nのそれぞれは、3つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子である。超伝導量子ビット素子1は、超伝導材料からなるリング又は矩形形状などからなる細線1cと、3つのジョセフソン接合1d,1e,1fと、から形成されている。各ジョセフソン接合1d,1e,1fは、トンネル接合となるような薄い絶縁膜が超伝導材料からなる細線1cに挟まれた構造を有している。なお、本発明に用いる超伝導量子ビット素子1,2〜Nは、超伝導を示す温度にて動作する。   Each of the superconducting qubit devices 1, 2 to N is a superconducting quantum interference device having three Josephson junctions. The superconducting qubit device 1 is formed of a thin wire 1c made of a ring or a rectangular shape made of a superconducting material, and three Josephson junctions 1d, 1e, and 1f. Each Josephson junction 1d, 1e, and 1f has a structure in which a thin insulating film that becomes a tunnel junction is sandwiched between thin wires 1c made of a superconducting material. The superconducting qubit elements 1, 2 to N used in the present invention operate at a temperature showing superconductivity.

超伝導量子ビット素子1,2〜Nは、互いには電磁結合しないように配置されている。この場合、各超伝導量子ビット素子1,2〜Nの隣接する間隔を離したり、各超伝導量子ビット素子1,2〜Nを構成する超伝導体からなる細線の総長を適宜に設計することで、超伝導量子ビット素子1,2〜N間の不必要な電磁結合を低減することができる。具体的には、超伝導量子ビット素子1は、一辺が10μm程度の長方形の場合に1μAの電流を流し、隣り合う超伝導量子ビット素子2との間隔を10μmとする。このとき隣り合う超伝導量子ビット素子1,2間の電磁結合の大きさは、近接して配置した場合の約1/100程度以下となる。従って、隣り合う超伝導量子ビット素子1,2間には、実質的に電磁結合がないものとして取り扱うことができる。   The superconducting qubit elements 1, 2 to N are arranged so as not to be electromagnetically coupled to each other. In this case, the distance between adjacent superconducting qubit elements 1, 2 to N is separated, or the total length of the thin wires made of superconductors constituting each superconducting qubit element 1, 2 to N is appropriately designed. Thus, unnecessary electromagnetic coupling between the superconducting qubit elements 1 and 2 to N can be reduced. Specifically, when the superconducting qubit device 1 is a rectangle having a side of about 10 μm, a current of 1 μA is passed, and the interval between adjacent superconducting qubit devices 2 is 10 μm. At this time, the magnitude of the electromagnetic coupling between the adjacent superconducting qubit elements 1 and 2 is about 1/100 or less when they are arranged close to each other. Therefore, the adjacent superconducting qubit elements 1 and 2 can be handled as having substantially no electromagnetic coupling.

共振器11は、共振器部11aと、上記超伝導量子ビット1,2〜Nを被覆する絶縁膜上又は隣接して設けた第1の線路部11bと、から構成することができる。図示の場合には、共振器11はLC共振器からなっている。コンデンサ(C)とインダクタンス(L)との一端同士は接続し、接続されていない他端はそれぞれ線路部11bに接続している。この場合、第1の線路部11b中の等価的なインダクタンス11cと各超伝導量子ビット素子の上部にあるインダクタンス1a,2a〜Naとは電磁結合している。   The resonator 11 can be composed of a resonator portion 11a and a first line portion 11b provided on or adjacent to the insulating film covering the superconducting qubits 1 and 2 to N. In the illustrated case, the resonator 11 is an LC resonator. One ends of the capacitor (C) and the inductance (L) are connected to each other, and the other ends that are not connected are connected to the line portion 11b. In this case, the equivalent inductance 11c in the first line portion 11b and the inductances 1a and 2a to Na at the top of each superconducting qubit element are electromagnetically coupled.

ここで、共振器11は、LC共振器、分布定数共振器、集中定数部品と分布定数部品からなる共振器などから構成することができる。   Here, the resonator 11 can be configured by an LC resonator, a distributed constant resonator, a resonator including a lumped constant component and a distributed constant component, and the like.

量子ビット操作用の高周波パルス発生装置12は、LC共振器や分布定数共振器からなる共振器と能動素子などから構成され、上記超伝導量子ビット素子1,2〜Nを被覆する絶縁膜上や隣接して設けられる第2の線路14と、から構成することができる。この第2の線路14の一端には、高周波パルス発生装置12から高周波パルスが送出されて、各超伝導量子ビット素子1,2〜Nへ高周波パルスが印加される。この場合、第2の線路14中の等価的なインダクタンス14aと各超伝導量子ビット素子にある相互インダクタンス1b,2b〜Nbを介して、所定強度の高周波パルスが所定時間だけ電磁結合することにより超伝導量子ビット1,2〜Nの量子状態を操作することが可能となる。   The high-frequency pulse generator 12 for qubit operation is composed of a resonator composed of an LC resonator or a distributed constant resonator, an active element, and the like, on an insulating film covering the superconducting qubit elements 1, 2 to N. It can comprise from the 2nd track | line 14 provided adjacently. A high frequency pulse is sent from one end of the second line 14 from the high frequency pulse generator 12, and a high frequency pulse is applied to each superconducting qubit element 1, 2 to N. In this case, a high-frequency pulse having a predetermined intensity is electromagnetically coupled for a predetermined time via the equivalent inductance 14a in the second line 14 and the mutual inductances 1b and 2b to Nb in each superconducting qubit element. It becomes possible to manipulate the quantum states of the conduction qubits 1, 2 to N.

本発明の超伝導量子マルチビット素子10の重要な特徴は、各超伝導量子ビット素子1,2〜Nが電磁的結合度λi で共通の共振器11に電磁的に結合している点と、各超伝導量子ビット素子1,2〜Nが互いには、非常に弱くしか電磁結合していない点である。本発明においては、各超伝導量子ビット素子1,2〜Nを非常に弱く電磁結合させ、実質的に各超伝導量子ビット素子1,2〜Nが電磁結合していない状態とする。 An important feature of the superconducting quantum multibit device 10 of the present invention is that each superconducting qubit device 1, 2 to N is electromagnetically coupled to a common resonator 11 with an electromagnetic coupling degree λ i. The superconducting qubit devices 1, 2 to N are electromagnetically coupled to each other only very weakly. In the present invention, the superconducting qubit elements 1, 2 to N are electromagnetically coupled very weakly, and the superconducting qubit elements 1, 2 to N are substantially not electromagnetically coupled.

本発明の超伝導量子マルチビット素子10においては、超伝導量子ビット素子1,2〜Nに量子もつれ状態を生成するために以下のようにしている。下記に超伝導量子ビット素子1,2の場合について説明する。
共振器11の共振周波数(fres )は、超伝導量子ビット素子1,2のエネルギーE1 ,E2 とは互いに共振状態とならないように設定される。2つ以上の超伝導量子ビット素子を備えた超伝導量子マルチビット素子1,2〜Nにおいては、他の量超伝導量子ビット素子3〜Nも共振状態とならないようにする。
In the superconducting quantum multibit device 10 of the present invention, the following is performed in order to generate a entangled state in the superconducting qubit devices 1, 2 to N. The case of superconducting qubit devices 1 and 2 will be described below.
The resonance frequency (f res ) of the resonator 11 is set so that it does not resonate with the energies E 1 and E 2 of the superconducting qubit elements 1 and 2 . In the superconducting quantum multibit devices 1 and 2 to 2 including two or more superconducting qubit devices, other amounts of the superconducting qubit devices 3 to N are prevented from being in a resonance state.

超伝導量子ビット素子1,2〜Nのエネルギー状態は、外部から静磁場を印加することにより調整することができるので、共振器11の共振周波数とは異なる共振状態とすることができる。この静磁場の印加は、演算全体が完了するまでの間、定磁場とみなせる安定したパルス磁場を各超伝導量子ビット素子1,2〜Nに印加すればよい。このようなパルス磁場は、超伝導量子マルチビット素子10に近接して配置した配線に矩形波電流を流して発生することができる。   Since the energy states of the superconducting qubit elements 1, 2 to N can be adjusted by applying a static magnetic field from the outside, a resonance state different from the resonance frequency of the resonator 11 can be obtained. The application of the static magnetic field may be performed by applying a stable pulse magnetic field that can be regarded as a constant magnetic field to each superconducting qubit element 1, 2 to N until the entire calculation is completed. Such a pulsed magnetic field can be generated by passing a rectangular wave current through a wiring arranged close to the superconducting quantum multibit device 10.

また、完全に同一な超伝導量子ビット素子1,2〜Nを製造するのは困難であり、超伝導量子ビット素子1,2〜N間のエネルギーには多少の変動が生じることを利用して、各超伝導量子ビット素子1,2〜Nのエネルギーを、共振器11の共振周波数と異なるようにも設計できる。   Also, it is difficult to manufacture completely the same superconducting qubit devices 1, 2 to N, and the fact that some fluctuations occur in the energy between the superconducting qubit devices 1, 2 to N is utilized. The energy of each superconducting qubit device 1, 2 to N can be designed to be different from the resonance frequency of the resonator 11.

本発明の超伝導量子ビット素子1,2〜Nの量子状態は、高周波パルス発生装置12から第2の線路12bを介してパルスを印加することにより、例えば、共鳴マイクロ波によるラビ振動で制御される。   The quantum states of the superconducting qubit devices 1, 2 to N of the present invention are controlled by, for example, Rabi oscillation by a resonance microwave by applying a pulse from the high-frequency pulse generator 12 through the second line 12b. The

図2は、本発明の超伝導量子マルチビット素子10の量子もつれ状態を模式的に説明するエネルギーレベル図である。図示するように、本発明の超伝導量子マルチビット素子10においては、量子もつれ状態を生成するために、高周波パルス発生装置12の周波数は、2つの超伝導量子ビット素子1,2のエネルギー(Eqb1 及びEqb2 )の和に相当する周波数fext とする。上記高周波パルス発生装置12は、fext を発生するか、又は少なくともfext 含む高周波パルスを発生できればよい。
このエネルギー関係は下記(1)式で与えられる。
ここで、hはプランク定数(6.626068×10-34 J・s)である。
FIG. 2 is an energy level diagram schematically illustrating the entangled state of the superconducting quantum multibit device 10 of the present invention. As shown in the figure, in the superconducting quantum multibit device 10 of the present invention, the frequency of the high-frequency pulse generator 12 is the energy (E) of the two superconducting qubit devices 1 and 2 in order to generate a entangled state. The frequency f ext is equivalent to the sum of qb1 and E qb2 ). The high frequency pulse generator 12 either generates f ext, or a high-frequency pulse suffices generation comprising at least f ext.
This energy relationship is given by the following equation (1).
Here, h is a Planck's constant (6.626068 × 10 −34 J · s).

超伝導量子ビット素子1,2〜Nの最小エネルギーギャップは、周波数としては1〜6GHzに相当するエネルギーである。超伝導量子ビットとして用いる場合の量子二準位のエネルギー分離は、周波数としては、大凡1〜15GHzに相当するエネルギーである。高周波パルス発生装置12の周波数fext は、超伝導量子マルチビット素子1,2〜Nの構造や寸法等に依存するが、1〜10GH程度、典型的には数GHzである。 The minimum energy gap of the superconducting qubit elements 1, 2 to N is energy corresponding to 1 to 6 GHz as a frequency. When used as a superconducting qubit, the energy separation of the quantum two levels is energy corresponding to approximately 1 to 15 GHz as a frequency. The frequency f ext of the high-frequency pulse generator 12 depends on the structure and dimensions of the superconducting quantum multi-bit devices 1 and 2 to N, but is about 1 to 10 GH, typically several GHz.

量子もつれ状態においては、2つの超伝導量子ビット素子1,2におけるエネルギー準位は、コヒーレント状態においては、基底状態(|g,g,0>)と励起状態(|e,e,0>)との間で遷移をする。そして、中間状態における、最大にもつれたエネルギー準位Ψは下記(2)式で与えられる。
In the entangled state, the energy levels in the two superconducting qubit devices 1 and 2 are the ground state (| g, g, 0>) and the excited state (| e, e, 0>) in the coherent state. Transition between. The maximum entangled energy level Ψ in the intermediate state is given by the following equation (2).

さらに、2つの超伝導量子ビット素子のエネルギー準位を、|qubit1 ,qubit2 ,i>で表記する。この場合、基底状態をg、励起状態をeとして表わし、共振器11のフォック状態をiとする。
ここで、フォック状態表示とは、共振器11に、共振量子が何個励起されているかの状態を指定する方法である。|0>は、共振量子が一つもない真空状態、即ち基底状態である。|1>は、共振量子が1個、|n>は共振量子がn個存在する状態を示す。
Further, the energy levels of the two superconducting qubit devices are represented by | qubit 1 , qubit 2 , i>. In this case, the ground state is represented as g, the excited state is represented as e, and the Fock state of the resonator 11 is represented as i.
Here, the Fock state display is a method of designating how many resonance quanta are excited in the resonator 11. | 0> is a vacuum state where there is no resonance quantum, that is, a ground state. | 1> indicates a state in which one resonance quantum exists, and | n> indicates a state in which n resonance quanta exist.

図3は、本発明の超伝導量子マルチビット素子における、量子もつれ状態のエネルギー及びコンカレンスの時間依存性の数値計算結果を示す図である。図3において、横軸は共鳴高周波パルスの印加持続時間(ns)を示し、左縦軸は量子もつれ状態のエネルギー(任意目盛)を示し、右縦軸はコンカレンス(C)を示している。
左縦軸のi準位の超伝導量子ビット素子のエネルギーは下記式(3)で表わされる。
ここで、iは、1又は2である。
右縦軸に示すコンカレンス(C)は下記式(4)で表わされる。
ここで、Ψは2つの量子ビット(1,2)結合系の状態関数であり、Ψ* はΨの複素共役であり、σy に関する項は、それぞれ、量子ビット1,2についてのy方向スピン演算子である。
FIG. 3 is a diagram showing numerical calculation results of the energy dependence and concurrence time dependence of the entangled state in the superconducting quantum multibit device of the present invention. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the application duration (ns) of the resonant high-frequency pulse, the left vertical axis indicates the energy of the entangled state (arbitrary scale), and the right vertical axis indicates the concurrence (C).
The energy of the i-level superconducting qubit device on the left vertical axis is expressed by the following equation (3).
Here, i is 1 or 2.
The concurrence (C) shown on the right vertical axis is represented by the following formula (4).
Where Ψ is the state function of the two qubit (1,2) coupled system, Ψ * is the complex conjugate of Ψ, and the terms related to σ y are the y-direction spins for qubits 1 and 2, respectively. It is an operator.

図3において、超伝導量子ビット素子のエネルギーは、基底状態から励起状態へと、コヒーレントに遷移していることが分かる。そして、最大にもつれたエネルギー準位であるΨを、図3中では、黒丸印(図3の●参照)で示している。   In FIG. 3, it can be seen that the energy of the superconducting qubit device makes a coherent transition from the ground state to the excited state. The maximum entangled energy level Ψ is indicated by black circles (see ● in FIG. 3) in FIG.

最大にもつれたエネルギー準位Ψとなる印加持続時間において、右縦軸に示すもつれ合いの指標であるコンカレンス(C)は1に近づくことが分かる。   It can be seen that concurrence (C), which is an index of entanglement shown on the right vertical axis, approaches 1 in the application duration at which the energy level Ψ is entangled to the maximum.

この時間遷移の数値計算結果においては、最大にもつれたエネルギー準位Ψが22nsで生成するように、非常に強い励起を行なっている。このような強い励起の場合には、22ns経過したときのコンカレンス(C)は、0.95に達する。この場合、コンカレンス(C)が1に到達しない理由は、強い励起を行なった場合には、基底状態(|g,g,0>)から励起状態(|e,e,0>)に遷移するだけではなく、エネルギーが近い値を有している共振器11へ、1量子を励起した状態である|g,g,1>を励起するからである。より弱く励起することで、このコンカレンス(C)の低下を防ぐことができる。この場合、共鳴高周波又は共鳴マイクロ波パルスの励起が強い程、ラビ振動数が大きくなり、最大にもつれた状態の生成に要する所要時間が短くなる。   In the numerical calculation result of this time transition, very strong excitation is performed so that the maximum entangled energy level Ψ is generated in 22 ns. In the case of such strong excitation, the concurrence (C) at the time when 22 ns elapses reaches 0.95. In this case, the reason why the concurrence (C) does not reach 1 is that when strong excitation is performed, the ground state (| g, g, 0>) transitions to the excited state (| e, e, 0>). This is because | g, g, 1>, which is a state in which one quantum is excited, is excited to the resonator 11 having a close energy value. By lowering the excitation, it is possible to prevent this decrease in concurrence (C). In this case, the stronger the excitation of the resonant high frequency or resonant microwave pulse, the greater the Rabi frequency, and the shorter the time required to generate the maximum entangled state.

上記生成時間の22nsは、単一量子ビットのコヒーレント時間である100〜1000nsと比較すると、非常に短い時間である。なお、超伝導を示す量子ビットの正確なコヒーレント時間はまだ知られていない。   The generation time of 22 ns is very short as compared to 100 to 1000 ns, which is a coherent time of a single qubit. The exact coherent time of a qubit exhibiting superconductivity is not yet known.

所望の基底状態から励起状態への遷移(|g,g,0>→|e,e,0>)に関するラビ周波数は、超伝導量子ビット素子1,2と共振器11との間の相互作用で決まる。もしも、相互作用のない場合には遷移は生じない。   The Rabi frequency for the transition from the desired ground state to the excited state (| g, g, 0> → | e, e, 0>) depends on the interaction between the superconducting qubit elements 1, 2 and the resonator 11. Determined by. If there is no interaction, no transition occurs.

本発明の上記量子もつれ状態における、共振器11と、各超伝導量子ビット素子1,2〜Nの電磁的な結合において、ラビ周波数を与える式を見出した。
最低の寄与を与える2次オーダーの摂動展開式を得ることにより、ラビ周波数の最低の寄与(ΩRabi)は下記式(5)で与えられる。
ここで、λ1 は超伝導量子ビット素子1と共振器11との間の電磁的結合度で、λ2 は超伝導量子ビット素子2と共振器11との間の電磁的結合度であり、Aは高周波パルス発生装置12の電力振幅である。
In the above-described quantum entangled state of the present invention, an equation for giving a Rabi frequency was found in the electromagnetic coupling between the resonator 11 and each of the superconducting qubit elements 1 to 2 -N.
By obtaining a second-order perturbation expansion equation that gives the lowest contribution, the lowest contribution (Ω Rabi ) of the Rabi frequency is given by the following equation (5).
Here, λ 1 is the degree of electromagnetic coupling between the superconducting qubit device 1 and the resonator 11, and λ 2 is the degree of electromagnetic coupling between the superconducting qubit device 2 and the resonator 11, A is the power amplitude of the high-frequency pulse generator 12.

上記の超伝導量子ビット素子1と共振器11との間の電磁的結合度であるλ1 は、超伝導量子ビット素子1の上部のインダクタンス1aと、共振器11に接続する線路部のインダクタンス11cとの電磁的結合度である。
この電磁的結合度λ1 を変えるには、超伝導量子ビット素子1と線路部のインダクタンス11cとの隣接する間隔を離したり、超伝導量子ビット素子を構成する超伝導体からなる細線の総長を適宜に設計すればよい。超伝導量子ビット素子2,3〜Nの場合も同様にして、共振器11との間の電磁的結合度であるλ2 を変化させることができる。
Λ 1 , which is the degree of electromagnetic coupling between the superconducting qubit device 1 and the resonator 11, is an inductance 1 a at the top of the superconducting qubit device 1 and an inductance 11 c of a line portion connected to the resonator 11. Is the degree of electromagnetic coupling.
In order to change the electromagnetic coupling degree λ 1 , the adjacent distance between the superconducting qubit element 1 and the inductance 11c of the line portion is separated, or the total length of the thin wires made of the superconductor constituting the superconducting qubit element is set. What is necessary is just to design suitably. Similarly, in the case of the superconducting qubit elements 2 and 3 to N, λ 2 that is the degree of electromagnetic coupling with the resonator 11 can be changed.

上記(5)式においては、ラビ周波数がλ1 及びλ2 に比例し、そして、高周波パルス発生装置12の電力振幅に比例することを示している。この場合、ラビ周波数は、例えば、数MHz〜GHz程度の周波数であり、典型的には10MHz程度である。 The above equation (5) shows that the rabbi frequency is proportional to λ 1 and λ 2 and proportional to the power amplitude of the high-frequency pulse generator 12. In this case, the rabbi frequency is, for example, about several MHz to GHz, and typically about 10 MHz.

上記計算結果から、本発明の超伝導量子マルチビット素子10によれば、ラビ周波数が高周波パルス発生装置12の電力振幅に比例するので、非特許文献7〜11で報告された場合と比較すると、量子もつれ状態が非常に高速に生成するという優れた特徴を有している。従来の場合には、仮想準位を介して量子もつれ状態の形成を行なうために、複数の高周波パルス発生装置を使用するものであるが、ラビ周波数は、励起用マイクロ波振幅の2乗に比例するので、本発明の超伝導量子マルチビット素子のように、ラビ周波数が励起用マイクロ波振幅に比例する場合に比べて遅くなる。   From the above calculation results, according to the superconducting quantum multibit device 10 of the present invention, since the Rabi frequency is proportional to the power amplitude of the high-frequency pulse generator 12, compared with the cases reported in Non-Patent Documents 7 to 11, It has an excellent feature that a quantum entangled state is generated very quickly. In the conventional case, a plurality of high-frequency pulse generators are used to form a entangled state via a virtual level, but the rabbi frequency is proportional to the square of the excitation microwave amplitude. Therefore, as in the superconducting quantum multibit device of the present invention, the Rabi frequency is slower than the case where it is proportional to the excitation microwave amplitude.

さらに、本発明の超伝導量子マルチビット素子10における、素子構成とパルス系列の構造が単純であるという優れた特徴を有している。非特許文献7〜11の従来技術の場合に、2つの量子ビットを動作させるのに必要としていた複数の駆動周波数及び/又は調整可能なカップラーを用いていた。これに対して、本発明の超伝導量子マルチビット素子10では、複数の駆動周波数及び/又は可変結合機構は不要である。   Furthermore, the superconducting quantum multibit device 10 of the present invention has an excellent feature that the device configuration and the structure of the pulse series are simple. In the case of the prior arts of Non-Patent Documents 7 to 11, a plurality of driving frequencies and / or adjustable couplers required to operate two qubits are used. In contrast, the superconducting quantum multibit device 10 of the present invention does not require a plurality of drive frequencies and / or variable coupling mechanisms.

以上、説明した本発明の超伝導量子マルチビット素子10は、各超伝導量子ビット素子1,2〜N間の量子もつれ状態を実現することができる。
次に、各超伝導量子ビット素子の初期化及び任意の重ね合わせ状態の実現方法について説明する。
(1)超伝導量子ビット素子1,2〜Nの初期化:
超伝導量子ビット素子1,2〜Nの初期化は、超伝導状態となる極低温、例えば20mKに冷却した状態で所定の時間静置しておくことで実現できる。
(2)各超伝導量子ビット素子1,2〜Nにおける任意の重ね合わせ状態:
超伝導量子ビット素子1,2〜Nのエネルギー準位差に同調した共鳴高周波パルスを用い、ラビ振動を生成させ、共鳴高周波パルスの持続時間(パルス幅)を変えることにより、アダマールゲートに代表される超伝導量子ビットの状態の任意の重ね合わせ(回転)制御を行なうことができる。あるいは、位相変調された複数の高周波パルスを用いることで、アダマールゲートに代表される超伝導量子ビットの状態の任意の重ね合わせ制御を行なうことができる。
As described above, the superconducting quantum multibit device 10 of the present invention described above can realize a entangled state between the superconducting qubit devices 1, 2 to N.
Next, a method for initializing each superconducting qubit device and realizing an arbitrary superposition state will be described.
(1) Initialization of superconducting qubit devices 1, 2 to N:
Initialization of the superconducting qubit elements 1 and 2 to N can be realized by leaving them to stand for a predetermined time in a state of being cooled to a cryogenic temperature at which the superconducting state is achieved, for example, 20 mK.
(2) Arbitrary superposition state in each of the superconducting qubit devices 1, 2 to N:
Using a resonant high frequency pulse tuned to the energy level difference of the superconducting qubit devices 1 and 2 to N, a Rabi oscillation is generated, and the duration (pulse width) of the resonant high frequency pulse is changed. Any superposition (rotation) control of the state of the superconducting qubit can be performed. Alternatively, by using a plurality of phase-modulated high-frequency pulses, arbitrary superposition control of the state of a superconducting qubit represented by a Hadamard gate can be performed.

図4は、本発明による超伝導量子マルチビット素子10を用いた集積回路30の構成を示す模式的な平面図である。図示するように、本発明の超伝導量子マルチビット素子10を用いた集積回路30は、図1に示した超伝導量子マルチビット素子10の各超伝導量子ビット素子1,2〜Nの上部にあるインダクタンス1a,2a〜Naに結合する素子が読み出し回路20として付加されている。この読み出し回路20は、各超伝導量子ビット素子1,2〜Nの量子状態を読み出すことができれば何でもよい。   FIG. 4 is a schematic plan view showing a configuration of an integrated circuit 30 using the superconducting quantum multibit device 10 according to the present invention. As shown in the figure, an integrated circuit 30 using the superconducting quantum multibit device 10 of the present invention is placed above the superconducting qubit devices 1, 2 to N of the superconducting quantum multibit device 10 shown in FIG. An element coupled to certain inductances 1 a and 2 a to Na is added as a readout circuit 20. The read circuit 20 may be anything as long as it can read the quantum states of the superconducting qubit elements 1, 2 to N.

図示の場合には、この読み出し回路20が超伝導量子干渉素子21,22〜2Nからなる場合を示している。超伝導量子干渉素子21は、超伝導材料からなるリング状又は矩形状などからなる細線21cと、2つのジョセフソン接合21a,21bとから形成されている、所謂ジョセフソン接合を2個有するSQUIDである。他の超伝導量子干渉素子22〜2Nも同じ構造である。この超伝導量子干渉素子21,22〜2Nには、それぞれ、電極、例えば21d,21e,21fが設けられている。そして、各超伝導量子干渉素子21,22〜2Nはそのインダクタンス21g,22g〜2Ngを介して、それぞれ、各超伝導量子ビット素子1,2〜Nの上部のインダクタンス1a,2a〜Naに電磁結合している。   In the illustrated case, the readout circuit 20 is composed of superconducting quantum interference elements 21, 22 to 2N. The superconducting quantum interference device 21 is a SQUID having two so-called Josephson junctions, which are formed of a thin wire 21c made of a superconducting material, such as a ring shape or a rectangular shape, and two Josephson junctions 21a and 21b. is there. The other superconducting quantum interference elements 22 to 2N have the same structure. The superconducting quantum interference devices 21, 22 to 2N are provided with electrodes, for example, 21d, 21e, and 21f. Each superconducting quantum interference device 21, 22-2N is electromagnetically coupled to the inductances 1a, 2a-Na above the respective superconducting qubit devices 1, 2-N via inductances 21g, 22g-2Ng, respectively. is doing.

上記読み出し回路20の読み出し動作について説明する。
超伝導量子干渉素子の電流端子21d,21e,21fには、バイアス電流が印加されている。バイアス電流を増加していった際に有限電圧を生じる電流の値(スイッチング電流)を測定することにより、超伝導量子マルチビット素子10の超伝導量子ビット素子1の量子状態の読出しを行うことができる。他の超伝導量子干渉素子22〜2Nの場合も同様にして、超伝導量子ビット素子2〜Nの量子状態の読出しを行うことができる。
A read operation of the read circuit 20 will be described.
A bias current is applied to the current terminals 21d, 21e, and 21f of the superconducting quantum interference device. It is possible to read out the quantum state of the superconducting qubit device 1 of the superconducting quantum multibit device 10 by measuring a current value (switching current) that generates a finite voltage when the bias current is increased. it can. In the case of the other superconducting quantum interference devices 22 to 2N, the quantum states of the superconducting qubit devices 2 to N can be read in the same manner.

上記構成の本発明の超伝導量子マルチビット素子10及びそれによる集積回路30は、以下のようにして製作することができる。
最初に、絶縁性基板上に、超伝導量子マルチビット素子10と読み出し回路20となる所定の厚さの超伝導体をスパッタ法により堆積する。超伝導量子マルチビット素子10と読み出し回路20となる細線を、マスクを用いた選択エッチングにより形成する。この場合、超伝導量子マルチビット素子10と読み出し回路20の絶縁体を形成する領域の超伝導体もエッチングする。
超伝導体としては、アルミニウム、ニオブ、窒化ニオブ、鉛、二硼化マグネシウム(MgB2 )や銅酸化物超伝導体などの高温超伝導体などからなる材料を使用することができる。銅酸化物超伝導体としては、Bi,Sr,Ca,Cu及びOからなる化合物(BSCCO)、Y,Ba,Cu及びOからなる化合物(YBCO)、La,Sr,Cu及びOからなる化合物(LSCO)などが挙げられる。
The superconducting quantum multibit device 10 and the integrated circuit 30 according to the present invention having the above-described configuration can be manufactured as follows.
First, a superconductor having a predetermined thickness to be the superconducting quantum multibit device 10 and the readout circuit 20 is deposited on an insulating substrate by sputtering. A thin line that becomes the superconducting quantum multibit device 10 and the readout circuit 20 is formed by selective etching using a mask. In this case, the superconductor in the region where the insulator of the superconducting quantum multibit device 10 and the readout circuit 20 is formed is also etched.
As the superconductor, a material made of high temperature superconductor such as aluminum, niobium, niobium nitride, lead, magnesium diboride (MgB 2 ) or copper oxide superconductor can be used. As the copper oxide superconductor, a compound composed of Bi, Sr, Ca, Cu and O (BSCCO), a compound composed of Y, Ba, Cu and O (YBCO), a compound composed of La, Sr, Cu and O ( LSCO).

次に、ジョセフソン接合に用いる所定の厚さの絶縁体となるアルミナ酸化膜などの絶縁膜材料を、スパッタ法やCVD法により堆積する。アルミニウムを蒸着した場合には、酸化してアルミナ酸化膜としてもよい。そして、余分な絶縁体を、選択エッチングにより除去する。この工程で、超伝導量子マルチビット素子10と読み出し回路20に用いる超伝導量子干渉素子が形成される。
ジョセフソン接合の絶縁膜としては、酸化アルミニウムを用いることができる。銅酸化物超伝導体であるc軸配向のBSCCOにおいては、BaO層からなる固有ジョセフソン接合を用いてもよい。
Next, an insulating film material such as an alumina oxide film that becomes an insulator having a predetermined thickness used for the Josephson junction is deposited by a sputtering method or a CVD method. When aluminum is deposited, it may be oxidized to form an alumina oxide film. Then, excess insulator is removed by selective etching. In this step, a superconducting quantum interference device used for the superconducting quantum multibit device 10 and the readout circuit 20 is formed.
Aluminum oxide can be used as the insulating film of the Josephson junction. In c-axis oriented BSCCO, which is a copper oxide superconductor, an intrinsic Josephson junction made of a BaO layer may be used.

次に、所定の厚さの絶縁膜を基板全面にスパッタ法などにより堆積する。
最後に、上記絶縁膜上の超伝導量子ビット素子1,2〜Nの所定箇所と電磁結合させるための共振器11の線路13及び高周波パルス発生装置12の線路14を、金属膜の蒸着や選択エッチング法などにより形成する。
各材料の堆積には、スパッタ法やCVD法以外には、蒸着法、レーザアブレーション法、MBE法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。また、所定の形状のジョセフソン接合、線路、電流端子を形成するためのマスク工程には、光露光やEB露光などを用いることができる。
Next, an insulating film having a predetermined thickness is deposited on the entire surface of the substrate by sputtering or the like.
Finally, the line 13 of the resonator 11 and the line 14 of the high-frequency pulse generator 12 for electromagnetic coupling with predetermined locations of the superconducting qubit elements 1, 2 to N on the insulating film are deposited or selected by a metal film. It is formed by an etching method or the like.
For the deposition of each material, an ordinary thin film forming method such as an evaporation method, a laser ablation method, or an MBE method can be used in addition to the sputtering method and the CVD method. Moreover, light exposure, EB exposure, etc. can be used for the mask process for forming a Josephson junction of a predetermined shape, a line, and a current terminal.

上記超伝導量子マルチビット素子10及びそれによる集積回路30における共振器11、高周波パルス発生装置12、あるいは、第2の線路14は、集積回路30に外付けすることができる。また、絶縁性基板として、絶縁膜を形成したSiなどの半導体基板を用いる場合には、コンデンサ及びインダクタンスからなるLC共振器、分布定数共振器などの受動部品からなる共振器11を同一基板上に集積化してもよい。同様にして、各種トランジスタと、コンデンサ及びインダクタンスからなるLC共振器、分布定数共振器などの受動部品からなる高周波パルス発生装置12を同一基板上に集積化してもよい。   The superconducting quantum multibit device 10 and the resulting resonator 11, high-frequency pulse generator 12, or second line 14 in the integrated circuit 30 can be externally attached to the integrated circuit 30. In addition, when a semiconductor substrate such as Si having an insulating film is used as the insulating substrate, the resonator 11 composed of a passive component such as an LC resonator composed of a capacitor and an inductance and a distributed constant resonator is disposed on the same substrate. It may be integrated. Similarly, the high-frequency pulse generator 12 including passive components such as various types of transistors, LC resonators including capacitors and inductances, and distributed constant resonators may be integrated on the same substrate.

本発明の超伝導量子マルチビット素子10における量子もつれ状態は、単に2つの超伝導量子ビット素子に当てはまるだけでなく、共通の共振器11及び高周波パルス発生装置12用線路14に接続した多くの超伝導量子ビット素子を備えた任意のペア間に適用することができる。   The entangled state in the superconducting quantum multibit device 10 of the present invention applies not only to two superconducting qubit devices, but also to many superconductors connected to the common resonator 11 and the line 14 for the high-frequency pulse generator 12. It can be applied between any pair with a conducting qubit device.

以下、実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。
実施例として、超伝導量子マルチビット素子による集積回路30を製造した。超伝導材料をニオブ(Nb)とし絶縁膜を酸化アルミニウムとして用いた、超伝導量子マルチビット素子10とSQUIDを用いた読み出し回路20とを、基板上に集積した。超伝導量子マルチビット素子及びSQUIDの大きさは、5μm×5μm〜40μm×40μmの正方形のパターンとし、その細線幅は0.3μmとした。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples.
As an example, an integrated circuit 30 using a superconducting quantum multibit device was manufactured. A superconducting quantum multibit device 10 using a niobium (Nb) superconducting material and an aluminum oxide as an insulating film and a readout circuit 20 using a SQUID were integrated on a substrate. The size of the superconducting quantum multibit device and the SQUID was a square pattern of 5 μm × 5 μm to 40 μm × 40 μm, and the thin line width was 0.3 μm.

図5は、(A)が実施例の超伝導量子マルチビット素子による集積回路30の走査電子顕微鏡像を示す図であり、(B)が(A)の説明図である。図示の場合には、1つの超伝導量子ビット素子とその読み出し用SQUIDの拡大した像を示している。図5から明らかなように、大きさが10μm×10μmの超伝導量子素子1の周囲には、大きさが13μm×13μmの読み出し用のSQUID21が配置されている。   5A is a view showing a scanning electron microscope image of the integrated circuit 30 using the superconducting quantum multibit device of the embodiment, and FIG. 5B is an explanatory view of FIG. In the illustrated case, an enlarged image of one superconducting qubit device and its readout SQUID is shown. As is apparent from FIG. 5, a SQUID 21 for reading having a size of 13 μm × 13 μm is arranged around the superconducting quantum element 1 having a size of 10 μm × 10 μm.

本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。   The present invention is not limited to these examples, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention. .

本発明による超伝導量子マルチビット素子の構成を示す模式的な平面図である。It is a typical top view which shows the structure of the superconducting quantum multibit device by this invention. 本発明の超伝導量子マルチビット素子の量子もつれ状態を模式的に説明するエネルギーレベル図である。It is an energy level figure which illustrates typically the quantum entanglement state of the superconducting quantum multibit device of the present invention. 本発明の超伝導量子マルチビット素子における、量子もつれ状態のエネルギー及びコンカレンスの時間依存性の数値計算結果を示す図である。It is a figure which shows the numerical calculation result of the time dependence of the energy of a entanglement state and concurrence in the superconducting quantum multibit device of this invention. 本発明による超伝導量子マルチビット素子を用いた集積回路の構成を示す模式的な平面図である。It is a typical top view which shows the structure of the integrated circuit using the superconducting quantum multibit element by this invention. (A)が実施例の超伝導量子マルチビット素子による集積回路の走査電子顕微鏡像を示す図で、(B)が(A)の説明図である。(A) is a figure which shows the scanning electron microscope image of the integrated circuit by the superconducting quantum multibit element of an Example, (B) is explanatory drawing of (A).

符号の説明Explanation of symbols

1,2〜N:超伝導量子ビット素子
1a,2a〜Na:超伝導量子ビット素子の上部にあるインダクタンス
1b,2b〜Nb:超伝導量子ビット素子の下部にあるインダクタンス
1c:超伝導細線
1d,1e,1f,21a,21b:ジョセフソン接合
10:超伝導量子マルチビット素子
11:共振器
11a:共振器部
11b:線路部
11c:線路部中の等価的なインダクタンス
12:高周波パルス発生装置
14:第2の線路
14a:第2の線路中の等価的なインダクタンス
20:読み出し回路
21,22〜2N:超伝導量子干渉素子(SQUID)
21c:超伝導材料からなる細線
21d,21e,21f:電流端子
21g,22g〜2Ng:インダクタンス
30:集積回路
1, 2 to N: superconducting qubit device 1a, 2a to Na: inductance 1b above the superconducting qubit device, 2b to Nb: inductance 1c below the superconducting qubit device: superconducting wire 1d, 1e, 1f, 21a, 21b: Josephson junction 10: superconducting quantum multibit device 11: resonator 11a: resonator unit 11b: line unit 11c: equivalent inductance 12 in the line unit 12: high-frequency pulse generator 14: Second line 14a: Equivalent inductance 20 in second line 20: Read-out circuits 21, 22 to 2N: Superconducting quantum interference device (SQUID)
21c: Fine wires 21d, 21e, 21f made of superconducting material: Current terminals 21g, 22g-2Ng: Inductance 30: Integrated circuit

Claims (5)

複数の超伝導量子ビット素子と、
上記各超伝導量子ビット素子のインダクタンス電磁結合する第1の線路と、
上記第1の線路に接続される共振器と、
上記各超伝導量子ビット素子のインダクタンスと電磁結合し、高周波パルスが送出される第2の線路と、
を備え、
上記各超伝導量子ビット素子は3つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、
上記各超伝導量子ビット素子は互いに電磁結合しないように配置されており、
上記共振器の共振周波数は上記各超伝導量子ビット素子のエネルギーとは共鳴しない周波数であり、
上記高周波パルスは2つの超伝導量子ビット素子のエネルギーの和に相当する周波数を含み、
上記各超伝導量子ビット素子への上記高周波パルスの印加により各超伝導量子ビット素子間に量子もつれ状態を生成することを特徴とする、超伝導量子マルチビット素子。
A plurality of superconducting qubit devices;
A first line for inductance and electromagnetic coupling of the respective superconducting qubit element,
A resonator connected to the first line ;
A second line that electromagnetically couples with the inductance of each of the superconducting qubit elements and that transmits a high-frequency pulse;
With
Each of the superconducting qubit devices comprises a superconducting quantum interference device having three Josephson junctions,
The superconducting qubit devices are arranged so as not to be electromagnetically coupled to each other,
The resonance frequency of the resonator is a frequency that does not resonate with the energy of each superconducting qubit device,
The high frequency pulse includes a frequency corresponding to a sum of energy of two superconducting qubit devices,
And generating an entangled state between the superconducting qubit element by the application of high-frequency pulses to the respective superconducting qubit elements, superconducting quantum multi-bit elements.
前記量子もつれ状態が、前記共振器と各超伝導量子ビット素子との間の電磁的結合度又は前記高周波パルスの電力振幅に比例して制御されることを特徴とする、請求項1に記載の超伝導量子マルチビット素子。   The entangled state is controlled in proportion to the degree of electromagnetic coupling between the resonator and each superconducting qubit device or the power amplitude of the high-frequency pulse. Superconducting quantum multibit device. 複数の超伝導量子ビット素子と、
上記各超伝導量子ビット素子のインダクタンス電磁結合する第1の線路と、
上記第1の線路に接続される共振器と、
上記各超伝導量子ビット素子のインダクタンスと電磁結合し、高周波パルスが送出される第2の線路と、
各超伝導量子ビット素子の量子状態の読み出しをする読み出し回路と、
を備え、
上記各超伝導量子ビット素子は3つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、
上記各超伝導量子ビット素子は互いに電磁結合しないように配置されており、
上記共振器の共振周波数は上記各超伝導量子ビット素子のエネルギーとは共鳴しない周波数であり、
上記高周波パルスは2つの超伝導量子ビット素子のエネルギーの和に相当する周波数を含み、
上記各超伝導量子ビット素子への上記高周波パルスの印加により各超伝導量子ビット素子間に量子もつれ状態を生成して読み出すことを特徴とする、超伝導量子マルチビット素子を用いた集積回路。
A plurality of superconducting qubit devices;
A first line for inductance and electromagnetic coupling of the respective superconducting qubit element,
A resonator connected to the first line ;
A second line that electromagnetically couples with the inductance of each of the superconducting qubit elements and that transmits a high-frequency pulse;
A readout circuit for reading out the quantum state of each superconducting qubit device;
With
Each of the superconducting qubit devices comprises a superconducting quantum interference device having three Josephson junctions,
The superconducting qubit devices are arranged so as not to be electromagnetically coupled to each other,
The resonance frequency of the resonator is a frequency that does not resonate with the energy of each superconducting qubit device,
The high frequency pulse includes a frequency corresponding to a sum of energy of two superconducting qubit devices,
And wherein the reading to generate entangled state between the superconducting qubit element by the application of high-frequency pulses to the respective superconducting qubit device, integrated circuit using a superconducting quantum multi-bit elements.
前記量子もつれ状態が、前記共振器と各超伝導量子ビット素子との間の電磁的結合度又は前記高周波パルスの電力振幅に比例して制御されることを特徴とする、請求項3に記載の超伝導量子マルチビット素子を用いた集積回路。4. The quantum entangled state is controlled in proportion to an electromagnetic coupling degree between the resonator and each superconducting qubit device or a power amplitude of the high-frequency pulse. An integrated circuit using a superconducting quantum multibit device. 前記読み出し回路が、前記超伝導量子ビット素子に電磁結合する2つのジョセフソン接合を備えた超伝導量子干渉素子により構成されることを特徴とする、請求項に記載の超伝導量子マルチビット素子を用いた集積回路。
4. The superconducting quantum multibit device according to claim 3 , wherein the readout circuit includes a superconducting quantum interference device including two Josephson junctions that electromagnetically couple to the superconducting qubit device. 5. Integrated circuit using.
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