JP4777718B2 - 量子ビット装置及び量子ビットの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ジョセフソン接合を含む超伝導回路を利用した量子コンピュータにおいて用いられる量子ビット装置及び量子ビットの制御方法に関するものである。

量子コンピュータは、現在のコンピュータでは計算困難とされているある種の問題（大きな数の素因数分解など）を迅速に解くことができるため、注目を集めている。量子コンピュータの基本素子となる量子ビットは、量子力学的な２つの状態（量子２状態）に情報を載せる。このように用いられる量子ビットには、原子，光子などの自然に存在する量子２状態，あるいは超伝導体，半導体を用いて人工的に作られた２状態など、様々な物理系が候補としてあり、これらが盛んに研究されている。中でも、超伝導量子ビットは、初期化，ゲート操作，及びビット数の拡張性などの観点から、有力な候補であると考えられている。

超伝導量子ビットには、電荷量子ビット，電荷−位相量子ビット，位相量子ビット，及び磁束量子ビットの４種類があり、各々、超伝導ジョセフソン接合が用いられた超伝導回路から構成されている。これらの量子ビットを構成する超伝導材料としては、ジョセフソン接合の作製技術が確立しているアルミニウムやニオブなどが用いられている。これらの材料を用いて超伝導量子ビットを設計すると、量子２状態（量子ビット）の２状態間のエネルギー差は、周波数に換算して１〜１００ＧＨｚ程度となり、マイクロ波領域にはいる。この周波数は、量子ビットのラーモア周波数と呼ばれている。現在の超伝導量子ビットのゲート操作（制御）は、主に、量子ビットのラーモア周波数と等しい周波数を持つマイクロ波パルスを用いて行われている。

以下、磁束量子ビットを例にとり、従来の量子ビットのゲート操作について説明する。図１２に示すように、従来よりある超伝導磁束量子ビット１２００は、３つのジョセフソン接合１２０１，１２０２，１２０３を含む超伝導ループ１２０４から構成されている（非特許文献１参照）。超伝導ループ１２０４に適切な一定磁場が印加されると、超伝導電流が時計回りに流れる状態「｜Ｒ〉」と反時計回りに流れる状態「｜Ｌ〉」とが安定化し、量子２状態が実現される。

このような量子２状態における｜Ｒ〉と｜Ｌ〉のエネルギー差に相当する連続マイクロ波ＭＷを、近設して配置されて一端が接地された制御線１２０５により量子ビット１２００に照射すると、超伝導磁束量子ビット１２００は１光子の吸収と放出とを繰り返し、図１３に示すように、｜Ｒ〉と｜Ｌ〉との間をコヒーレントに振動する。この状態がラビ振動と呼ばれ、これを用いて超伝導磁束量子ビット１２００のゲート操作を行うことが可能となる。

実際にラビ振動を観測するためには、まず、制御線１２０５にマイクロ波パルスＭＰを印加する。印加されたマイクロ波パルスＭＰにより、超伝導磁束量子ビット１２００は、｜Ｒ〉と｜Ｌ〉の任意の重ね合わせ状態に準備される。この状態で、超伝導磁束量子ビット１２００の量子状態を読み出すと、ある確率で｜Ｒ〉が読み出され、また、ある確率で｜Ｌ〉が読み出される。この測定を繰り返すと、｜Ｌ〉に分布する確率Ｐ_Lを求めることができる。求められた確率Ｐ_Lを、印加されたマイクロ波パルスＭＰのパルス長ｔ_Pに対してプロットすると、｜Ｒ〉と｜Ｌ〉の間のラビ振動に対応した振動が観測される（非特許文献２参照）。

また、電荷量子ビットにおいては、量子ビットのエネルギー差のｎ分の１（ｎは自然数）のエネルギーを持つマイクロ波ＭＷを用い、図１４に示すように、ｎ個の上記マイクロ波ＭＷによるゲート操作も行われている（ｎ光子プロセス：非特許文献３参照）。なお、図１４では、ｎ＝３の場合を示している。

J.E.Mooij, T.P.Orlando, L.Levitov, Lin Tian, Casper H. van der Wal, and Seth Lloyd, "Josephson Persistent-Current Qubit", Science, Vol.285, pp. 1036-1039, 1999. I. Chiorescu, Y Nakamura, C.J.P.M.Harmans, J.E.Mooij, "Coherent Quantum Dynamics of a Superconducting Flux Qubit", Science, Vol.299, pp. 1869-1872, 2003. Y.Nakamura, Y.A.Pashkin, J.S.Tsai, "Rabi Oscillations in a Josephson-Junction Charge Two-Level System", Physical Review Letters, Vol.87, No.24, pp.246601-1-246601-4, 2001 L.F.Mattheiss, "Band Structures of Transition-Metal-Dichalogenaide Layer Compounds", Physical Review B, Vol.8, No.8, pp.3719-3740, 1973.

しかしながら、従来では、上述したようにゲート操作に用いることができるマイクロ波の周波数が、｜Ｒ〉と｜Ｌ〉のエネルギー差のｎ分の１に相当する周波数に限定されているという問題があった。

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、｜Ｒ〉と｜Ｌ〉のエネルギー差のｎ分の１に相当する周波数以外の周波数でも、量子ビットのゲート操作ができるようにすることを目的とする。

本発明に係る量子ビット装置は、量子ビットと、この量子ビットに異なる周波数の電磁波よりなる所定のパルス長とされたパルス状の制御信号を照射する量子ビット制御手段とを少なくとも備えるようにしたものである。照射された制御信号のパルス長により、量子ビットの２つの状態が制御される。

上記量子ビット装置において、異なる周波数の電磁波の周波数の和が、量子ビットのラーモア周波数に等しくされていればよい。また、異なる周波数の電磁波の周波数の差が、量子ビットのラーモア周波数に等しくされていてもよい。この場合、制御信号を伝送する伝送線路に、量子ビットのラーモア周波数より高い周波数の電磁波を通過するハイパスフィルターが設けられているようにしてもよい。なお、電磁波は、光であってもよい。

本発明に係る量子ビットの制御方法は、量子ビットに、異なる周波数の電磁波よりなる所定のパルス長とされたパルス状の制御信号を照射し、量子ビットの２つの状態を制御するようにしたものである。照射された制御信号のパルス長により、量子ビットの２つの状態が制御される。

上記量子ビットの制御方法において、異なる周波数の電磁波の周波数の和が、量子ビットのラーモア周波数に等しくされていればよい。また、異なる周波数の電磁波の周波数の差が、量子ビットのラーモア周波数に等しくされていてもよい。なお、電磁波は、光であってもよい。

以上説明したように、本発明によれば、量子ビットに、異なる周波数の電磁波よりなる所定のパルス長とされたパルス状の制御信号を照射し、量子ビットの２つの状態を制御するようにしたので、｜Ｒ〉と｜Ｌ〉のエネルギー差のｎ分の１に相当する周波数以外の周波数でも、量子ビットのゲート操作ができるようになるという優れた効果が得られる。

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ビット装置の構成例を示す構成図である。図１に示す量子ビット装置は、まず、磁束量子ビット１０１と、磁束量子ビットの状態を制御する制御ライン１０２と、磁束量子ビット１０１の状態を読み出すＳＱＵＩＤ(Superconducting Quantum Interference Device）１０３とを備える。磁束量子ビット１０１は、トンネル絶縁部からなるジョセフソン接合１１１，１１２，１１３を備え、ＳＱＵＩＤ１０３も、ジョセフソン接合１３１，１３２を備える。また、制御ライン１０２は、マイクロ波が伝播されるマイクロ波の伝送線路である。

磁束量子ビット１０１及びＳＱＵＩＤ１０３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性を示す材料から構成された超伝導ループであり、磁束量子ビット１０１は、例えば、約５μｍ角に形成されている。ＳＱＵＩＤ１０３は、この超伝導ループを貫く磁束（磁場）の大きさに対し、超伝導臨界電流が敏感に変化し、感度のよい磁束計となる。ＳＱＵＩＤ１０３には、電流源１３３が接続され、ＳＱＵＩＤ１０３における２つの臨界電流の中間の値を持つ電流が印加される。また、ＳＱＵＩＤ１０３からの電圧発生の有無の２つの状態が、電圧アンプ１３４により増幅されて出力され、観測可能な状態となる。ＳＱＵＩＤ１０３，電流源１３３，及び電圧アンプ１３４により、磁束量子ビット１０１の量子状態を読み出す読み出し手段となる。なお、これらは、高周波線路（伝送線路）で接続されている。

これらは、半導体基板（チップ）１０４上に絶縁膜（図示せず）を介して形成され、チップ１０４は、チップホルダー１０５に固定されて希釈冷凍機１０６の中に載置されている。希釈冷凍機１０６は、液体３Ｈｅと液体４Ｈｅを混ぜ、液体３Ｈｅが液体４Ｈｅ中に蒸発するときに蒸発熱を奪う現象（吸熱反応）を利用した冷凍機である。希釈冷凍機１０６により、チップ１０４及びこの上に形成されている量子ビット素子は、０．０２Ｋ程度に冷却される。

また、図１に示す量子ビット装置は、制御ライン１０２に、制御信号を印加する量子ビット制御部１０７が接続されている。量子ビット制御部１０７は、マイクロ波発生器１７１，マイクロ波発生器１７２，パルス発生器１７３，ダブルバランスミキサー１７４，ダブルバランスミキサー１７５，スプリッターＳＰ１，及びスプリッターＳＰ２を備え、異なる２つの周波数のマイクロ波ＭＷ（電磁波）を含み、所定のパルス長のパルスに整形された制御信号を出力する。また、量子ビット制御部１０７は、同軸ケーブル１０８により、制御ライン１０２に接続されている。マイクロ波発生器１７１は、周波数ｆ_MW1のマイクロ波ＭＷ１を発生し、マイクロ波発生器１７２は、周波数ｆ_MW1とは異なる周波数ｆ_MW2のマイクロ波ＭＷ２を発生する。なお、同軸ケーブル１０８に限らず、他の伝送線路を用いるようにしてもよい。

このように構成された量子ビット制御部１０７によれば、まず、マイクロ波発生器１７１及びマイクロ波発生器１７２より発生された２つのマイクロ波ＭＷ１とマイクロ波ＭＷ２は、スプリッターＳＰ１により加算される。また、パルス発生器１７３より生成されたパルスは、スプリッターＳＰ２により分割される。このパルスが、ダブルバランスミキサー１７４及びダブルバランスミキサー１７５により、加算された連続的なマイクロ波ＭＷ１，ＭＷ２に乗算され、これらが、２つの周波数ｆ_MW1，ｆ_MW2を含むマイクロ波パルスへ整形される。このマイクロ波パルスは、２つの周波数ｆ_MW1，ｆ_MW2のマイクロ波が多重化された状態となっている。このようにして整形されたマイクロ波パルスは、量子ビット制御部１０７より、同軸ケーブル１０８を介して希釈冷凍機１０６の内部へ導入され、低温とされているチップホルダー１０５において、チップ１０４の上の制御ライン１０２へと送り込まれる。

制御ライン１０２に送り込まれたマイクロ波パルスを構成している２つのマイクロ波の周波数ＭＷ１，ＭＷ２の和が、図２に示すように、磁束量子ビット１０１のラーモア周波数（｜Ｒ〉と｜Ｌ〉のエネルギー差）と等しい場合、磁束量子ビット１０１は、１光子の吸収と放出とを繰り返し、｜Ｒ〉と｜Ｌ〉との間をコヒーレントに振動する。この磁束量子ビットの情報が、ＳＱＵＩＤ１０３の位相に転写され、磁束量子ビット１０１の｜Ｒ〉と｜Ｌ〉との状態差により、ＳＱＵＩＤ１０３の位相がわずかに異なるようになる。

超伝導状態に凝集された電子対は、すべて共通の位相を持つ。ＳＱＵＩＤ１０３の両側の超伝導体には、各々の位相があり、この差がＳＱＵＩＤ１０３の位相となる。この位相の差により、ＳＱＵＩＤ１０３の臨界電流もわずかに異なるようになる。なお、ＳＱＵＩＤ１０３に電流を印加すると、超伝導電流が流れるが、これを増加すると、ある電流値でＳＱＵＩＤ１０３は電圧状態へと変化する。この電流値が、臨界電流（超伝導臨界電流）である。

上述したＳＱＵＩＤ１０３における２つの臨界電流の中間の値を持つ電流を電流源１３３によりＳＱＵＩＤ１０３に印加すると、磁束量子ビット１０１が｜Ｌ〉のときは、ＳＱＵＩＤ１０３はゼロ電圧状態にとどまる。一方、磁束量子ビット１０１が｜Ｒ〉のときは、ＳＱＵＩＤ１０３は電圧状態へと変化する。これらの２つの状態が、電圧アンプ１３４により増幅されて出力され、観測可能な状態となる。

このようにして電圧アンプ１３４より出力されて読み出された磁束量子ビット１０１のコヒーレント振動と、制御ライン１０２より照射されているマイクロ波（マイクロ波パルス）のパルス長との関係は、図３に示すようになる。図３に示すように、｜Ｌ〉に分布する確率Ｐ_Lのマイクロ波パルス長ｔ_Pの依存性に振動が見られる。この振動は、磁束量子ビット１０１が、｜Ｒ〉と｜Ｌ〉との間をコヒーレントに振動している状態を反映し、磁束量子ビット１０１が制御されていることを示している。なお、図３では、磁束量子ビット１０１のラーモア周波数が２６．４５ＧＨｚ、マイクロ波ＭＷ１の周波数ｆ_MW1が１６．２ＧＨｚ、マイクロ波ＭＷ２の周波数ｆ_MW2が１０．２５ＧＨｚの場合の結果を示している。

また、制御ライン１０２に送り込まれたマイクロ波パルスを構成している２つのマイクロ波の周波数ＭＷ１，ＭＷ２の差が、図４に示すように、磁束量子ビット１０１のラーモア周波数（｜Ｒ〉と｜Ｌ〉のエネルギー差）と等しい場合も、磁束量子ビット１０１は、１光子の吸収と放出とを繰り返し、｜Ｒ〉と｜Ｌ〉との間をコヒーレントに振動する。この状態も、前述同様にＳＱＵＩＤ１０３のゼロ電圧状態もしくは電圧状態の２つの状態が、電圧アンプ１３４より増幅されて出力される。

出力されて読み出された磁束量子ビット１０１のコヒーレント振動と、制御ライン１０２より照射されているマイクロ波（マイクロ波パルス）のパルス長との関係は、図５に示すようになる。図５に示すように、この場合においても、｜Ｌ〉に分布する確率Ｐ_Lのマイクロ波パルス長ｔ_Pの依存性に振動が見られる。この振動は、磁束量子ビット１０１が、｜Ｒ〉と｜Ｌ〉との間をコヒーレントに振動している状態を反映し、磁束量子ビット１０１が制御されていることを示している。なお、図５では、磁束量子ビット１０１のラーモア周波数が７．４ＧＨｚ、マイクロ波ＭＷ１の周波数ｆ_MW1が１８．５ＧＨｚ、マイクロ波ＭＷ２の周波数ｆ_MW2が１１．１ＧＨｚの場合の結果を示している。

以上に説明したように、図１に示す量子ビット装置によれば、異なる周波数のマイクロ波を用い、これらの和や差が量子ビットのラーモア周波数に等しい状態とすることで、量子ビットのゲート操作（制御）ができるようにした。前述したように、量子ビットのラーモア周波数に等しい周波数のマイクロ波により、量子ビットの制御が可能である。パルス状にしたマイクロ波のパルス長により、量子ビットの｜Ｒ〉と｜Ｌ〉の任意の重ね合わせ状態に制御可能である。ところが、例えば、用いているマイクロ波の周波数に共鳴するノイズ成分が存在すると、量子ビットのコヒーレントが失われてしまう。従来では、量子ビットのラーモア周波数の自然数分の１の周波数のマイクロ波を用いていたため、ノイズに共鳴しない周波数のマイクロ波を得ることが容易ではなかった。これに対し、図１に示す量子ビット装置によれば、異なる周波数のマイクロ波の差もしくは和をラーモア周波数に等しくすることで、量子ビットを制御するようにしたので、ノイズに共鳴しない周波数のマイクロ波を用いることが容易となる。

次に、本発明の実施の形態における他の量子ビット装置について説明する。図６は、本発明の実施の形態における他の量子ビット装置の構成を示す構成図である。図６に示す量子ビット装置は、マイクロ波導入系である同軸ケーブル１０８に、ハイパスフィルター（ＨＰＦ）１０９を設けるようにしたものである。なお、図６に示す量子ビット装置は、ＳＱＵＩＤ１０３，電流源１３３，及び電圧アンプ１３４を省略して示しているが、他は、図１に示す量子ビット装置と同様である。図６に示すように、ハイパスフィルター１０９を設けることで、磁束量子ビット１０１のデコヒーレンスの原因となるノイズが除去できるようになる。

量子ビットのデコヒーレンスの原因としては、ラーモア周波数と同じ周波数を持つノイズ及びラーモア周波数より低周波のノイズなどがある。ハイパスフィルター１０９により、これらのノイズを抑制することができる。特に、図４を用いて説明したように、ラーモア周波数より高い周波数の異なる２つのマイクロ波の差をとることで磁束量子ビット１０１を制御する場合に有効である。この場合、周波数ｆ_MW1，周波数ｆ_MW2とラーモア周波数との間にカットオフ周波数を持つハイパスフィルター１０９を用いることで、磁束量子ビット１０１のデコヒーレンスの要因となる周波数領域のノイズが除去可能となり、量子ビット装置の動作の信頼性を向上させることができる。なお、量子ビット制御部１０７に限らず、他の構成により、異なる２つの周波数のマイクロ波ＭＷ（電磁波）を含む所定のパルス長のパルスに整形された制御信号を生成するようにしてもよい。

次に、本発明の実施の形態における他の量子ビット装置について説明する。図７は、本発明の実施の形態における他の量子ビット装置の構成を示す構成図である。図７に示す量子ビット装置は、まず、磁束量子ビット１０１と、異なる２つの波長（周波数）の光（電磁波）を含む所定のパルス長のパルスに整形された信号光（制御信号）により、磁束量子ビット１０１を制御する量子ビット制御部７０７とを備える。例えば、通信波長帯の波長の光が用いられる。磁束量子ビット１０１は、図１に示す量子ビット装置と同様であり、トンネル絶縁部からなるジョセフソン接合１１１，１１２，１１３を備え、半導体基板（チップ）７０４上に絶縁膜（図示せず）を介して形成され、チップ７０４は、チップホルダー１０５に固定されて希釈冷凍機１０６の中に載置されている。

ただし、図７に示す量子ビット装置において、磁束量子ビット１０１及び図示しないＳＱＵＩＤは、例えば２Ｈ−ＴａＳ₂や２Ｈ−ＮｂＳｅ₂などの、低温にすることで超伝導性を示す材料から構成された超伝導ループである（非特許文献４参照）。これらの材料は、通信波長帯の光を吸収しない材料である。なお、図７では、ＳＱＵＩＤ１０３，電流源１３３，及び電圧アンプ１３４を省略して示しているが、図１に示す量子ビット装置と同様に、磁束量子ビット１０１の状態を読み出す読み出し手段を備えている。

また、量子ビット制御部７０７は、半導体レーザ７７１，偏向ビームスプリッタ７７２，音響光学素子７７３，レンズ７７４，１／４波長板７７５，ミラー７７６，ミラー７７７，強度変調器７７８，集光レンズ７７９，及びパルス発生器１７３を備えている。

量子ビット制御部７０７において、半導体レーザ７７１を出射した光源光は、偏向ビームスプリッタ７７２により所定の偏光が取り出され、音響光学素子７７３により０次回折光と１次回折光とに分離される。音響光学素子７７３では、１次回折光の周波数が、磁束量子ビット１０１のラーモア周波数の半分だけシフトされる。このように分離された２つの光は、レンズ７７４及び１／４波長板７７５を透過し、ミラー７７６を反射して再度音響光学素子７７３で回折されることで、１次回折光が０次回折光に対して磁束量子ビット１０１のラーモア周波数分だけシフトされた状態となる。

これら２つの周波数を含む光は、１／４波長板７７５を２度通過しているので、偏光ビームスプリッタ７７２を反射し、ミラー７７７を反射して強度変調器７７８に入射する。強度変調器７７８は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）から構成され、パルス発生器１７３より生成されたパルスより、入射された上記２つの周波数を含む（２つの周波数が多重化された）光を、パルス形状に整形する。このようにして、強度変調器７７８を通過してパルスに整形された信号光は、集光レンズ７７９により集光されて光ファイバ７０８に結合し、光ファイバ７０８を導波してチップ７０４の上の磁束量子ビット１０１に照射される。なお、パルスに整形された信号光のパルス長ｔ_Pは、パルス発生器１７３により決定される。ところで、フォトニック結晶などを用いて共振器を構成し、この共振器中に量子ビットを配置することで、量子ビットと光（信号光）との結合をより強くすることも可能である。

このようにして、量子ビット制御部７０７より得られる、磁束量子ビット１０１のラーモア周波数分だけ異なる周波数Ｌ１，周波数Ｌ２の２つの光を含む信号光（光パルス）により、磁束量子ビット１０１のゲート操作が可能となる。このゲート操作では、図８に示すように、周波数Ｌ１の光と、これより磁束量子ビット１０１のラーモア周波数分だけ異なる周波数Ｌ２の光との差が、磁束量子ビット１０１のラーモア周波数と等しいため、磁束量子ビット１０１は、１光子の吸収・放出と放出・吸収とを繰り返し、｜Ｒ〉と｜Ｌ〉との間をコヒーレントに振動する。この量子ビット装置によれば、例えば、量子コンピュータと量子通信とのインタフェースが構築可能となる。

次に、本発明の実施の形態における他の量子ビット装置について説明する。図９は、本発明の実施の形態における他の量子ビット装置の構成を示す構成図である。図９に示す量子ビット装置は、まず、電荷量子ビット９０１と、電荷量子ビット９０１の状態を制御する制御ライン９０２と、制御ライン９０２と電荷量子ビット９０１とを結合するための容量素子９２１とを備える。電荷量子ビット９０１は、トンネル絶縁部からなるジョセフソン接合９１１，９１２を備え、クーパー対箱９１４を構成している。また、電荷量子ビット９０１は、ジョセフソン接合９１３を介して電流計９３１に接続している。また、制御ライン９０２は、マイクロ波が伝播される伝送線路である。

これらは、半導体基板（チップ）９０４上に絶縁膜（図示せず）を介して形成され、チップ９０４は、チップホルダー１０５に固定されて希釈冷凍機１０６の中に載置されている。これは、図１に示す量子ビット装置と同様である。また、図９に示す量子ビット装置も、制御ライン９０２に、異なる２つの周波数のマイクロ波（ＭＷ）を印加する量子ビット制御部１０７が接続されている。これも図１に示す量子ビット装置と同様である。従って、量子ビット制御部１０７より得られる２つの周波数ｆ_MW1，ｆ_MW2を含むマイクロ波パルスが、同軸ケーブル１０８を介して希釈冷凍機１０６の内部へ導入され、低温とされているチップ９０４の上の制御ライン９０２へと送り込まれ、容量素子９２１を介して電荷量子ビット９０１に結合される。

このように構成された図９の量子ビット装置によれば、電荷量子ビット９０１において、クーパー対箱９１４の中に、余剰クーパー対が０個の状態が量子ビットの｜Ｒ〉の状態であり、余剰クーパー対が１個の状態が量子ビットの｜Ｌ〉の状態に相当する。これらの２つの状態が、前述同様に、２つの周波数ｆ_MW1，ｆ_MW2を含むマイクロ波パルスにより制御される。パルス状にしたマイクロ波のパルス長により、量子ビットの｜Ｒ〉と｜Ｌ〉の任意の重ね合わせ状態に制御可能である。また、このように制御された、電荷量子ビット９０１において、余剰クーパー対が１個存在する｜Ｌ〉のとき、ジョセフソン接合９１３を通してクーパー対が流れ出し、この状態が、電流として電流計９３１により観測される。一方、余剰クーパー対が０個の｜Ｒ〉のときは、電流が観測されない。

次に、本発明の実施の形態における他の量子ビット装置について説明する。図１０は、本発明の実施の形態における他の量子ビット装置の構成を示す構成図である。図１０に示す量子ビット装置は、まず、超伝導電荷−位相量子ビットよりなる量子ビット１００１と、量子ビット１００１の状態を制御する制御ライン１００２と、制御ライン１００２と量子ビット１００１とを結合するための容量素子１０２１とを備える。量子ビット１００１は、トンネル絶縁部からなる２つのジョセフソン接合を備え、これらでクーパー対箱１０１４を構成している。なお、制御ライン１００２は、マイクロ波が伝播される伝送線路である。

これらは、半導体基板（チップ）１００４上に絶縁膜（図示せず）を介して形成され、チップ１００４は、チップホルダー１０５に固定されて希釈冷凍機１０６の中に載置されている。これは、図１に示す量子ビット装置と同様である。また、図１０に示す量子ビット装置も、制御ライン１００２に、異なる２つの周波数のマイクロ波（ＭＷ）を印加する量子ビット制御部１０７が接続されている。これも図１に示す量子ビット装置と同様である。従って、量子ビット制御部１０７より得られる２つの周波数ｆ_MW1，ｆ_MW2を含むマイクロ波パルスが、同軸ケーブル１０８を介して希釈冷凍機１０６の内部へ導入され、低温とされているチップ１００４の上の制御ライン１００２へと送り込まれ、容量素子１０２１を介して量子ビット１００１に結合される。

このように構成された図１０の量子ビット装置によれば、量子ビット１００１において、クーパー対箱１０１４の中に、余剰クーパー対が０個の状態が量子ビットの｜Ｒ〉の状態であり、余剰クーパー対が１個の状態が量子ビットの｜Ｌ〉の状態に相当する。これらの２つの状態が、前述同様に、２つの周波数ｆ_MW1，ｆ_MW2を含むマイクロ波パルスにより制御される。パルス状にしたマイクロ波のパルス長により、量子ビットの｜Ｒ〉と｜Ｌ〉の任意の重ね合わせ状態に制御可能である。

また、このように制御された、量子ビット１００１において、この電荷の情報が、ジョセフソン接合１０１３の位相に転写され、量子ビット１００１の｜Ｒ〉と｜Ｌ〉との状態差により、ジョセフソン接合１０１３の位相がわずかに異なるようになる。超伝導状態に凝集された電子対は、すべて共通の位相を持つ。ジョセフソン接合１０１３の両側の超伝導体には、各々の位相があり、この差がジョセフソン接合の位相となる。この位相の差により、ジョセフソン接合１０１３の臨界電流もわずかに異なるようになる。なお、ジョセフソン接合に電流を印加すると、超伝導電流が流れるが、これを増加すると、ある電流値でジョセフソン接合は電圧状態へと変化する。この電流値が、臨界電流である。

上述したジョセフソン接合１０１３における２つの臨界電流の中間の値を持つ電流を電流源１３３によりジョセフソン接合１０１３に印加すると、量子ビット１００１が｜Ｌ〉のときは、ジョセフソン接合１０１３はゼロ電圧状態にとどまる。一方、量子ビット１００１が｜Ｒ〉のときは、ジョセフソン接合１０１３は電圧状態へと変化する。これらの２つの状態が、電圧アンプ１３４により増幅されて出力され、観測可能な状態となる。

次に、本発明の実施の形態における他の量子ビット装置について説明する。図１１は、本発明の実施の形態における他の量子ビット装置の構成を示す構成図である。図１１に示す量子ビット装置は、まず、位相量子ビット１１０１と、位相量子ビット１１０１の状態を制御する制御ライン１１０２と、制御ライン１１０２と位相量子ビット１１０１とを結合するための容量素子１１２１とを備える。位相量子ビット１１０１は、トンネル絶縁部からなるジョセフソン接合Ｊより構成されている。なお、制御ライン１１０２は、マイクロ波が伝播される伝送線路である。

これらは、半導体基板（チップ）１０４上に絶縁膜（図示せず）を介して形成され、チップ１０４は、チップホルダー１０５に固定されて希釈冷凍機１０６の中に載置されている。これは、図１に示す量子ビット装置と同様である。また、図１１に示す量子ビット装置も、制御ライン１１０２に、異なる２つの周波数のマイクロ波（ＭＷ）を印加する量子ビット制御部１０７が接続されている。これも図１に示す量子ビット装置と同様である。従って、量子ビット制御部１０７より得られる２つの周波数ｆ_MW1，ｆ_MW2を含むマイクロ波パルスが、同軸ケーブル１０８を介して希釈冷凍機１０６の内部へ導入され、低温とされているチップ１０４の上の制御ライン１１０２へと送り込まれ、容量素子１１２１を介して位相量子ビット１１０１に結合される。

このように構成された図１１の量子ビット装置によれば、位相量子ビット１１０１を構成するジョセフソン接合Ｊの位相が、量子ビットの量子情報を担う。ジョセフソン接合Ｊの位相の振動の振幅がδ₀の状態が量子ビットの｜Ｒ〉に相当し、ジョセフソン接合Ｊの位相の振動の振幅がδ₀＋Δの状態が量子ビットの｜Ｌ〉に相当する。これらの２つの状態が、前述同様に、２つの周波数ｆ_MW1，ｆ_MW2を含むマイクロ波パルスにより制御される。パルス状にしたマイクロ波のパルス長により、量子ビットの｜Ｒ〉と｜Ｌ〉の任意の重ね合わせ状態に制御可能である。

また、このように制御された、位相量子ビット１１０１において、上述したジョセフソン接合Ｊの位相の差により、ジョセフソン接合Ｊの臨界電流もわずかに異なるようになる。このジョセフソン接合Ｊにおける２つの臨界電流の中間の値を持つ電流を電流源１３３によりジョセフソン接合Ｊに印加すると、位相量子ビット１１０１が｜Ｌ〉のときは、ジョセフソン接合Ｊはゼロ電圧状態にとどまる。一方、位相量子ビット１１０１が｜Ｒ〉のときは、ジョセフソン接合Ｊは電圧状態へと変化する。これらの２つの状態が、電圧アンプ１３４により増幅されて出力され、観測可能な状態となる。

なお、上述では、異なる２つの周波数（波長）の電磁波を含む所定のパルス長のパルスに整形された制御信号（信号光）により量子ビットの状態を制御するようにしたが、これに限るものではなく、波長の異なる３つ以上の複数の電磁波を用いるようにしてもよい。例えば、３つの電磁波の周波数の和が、量子ビットのラーモア周波数に等しい状態とされていればよい。また、異なる周波数の３つの電磁波の、いずれか２つの周波数の電磁波の和と、他の１つの周波数の電磁波との差が、量子ビットのラーモア周波数に等しい状態とされていてもよい。また、異なる周波数の３つの電磁波を用い、最も大きい周波数の電磁波と次に大きい周波数の電磁波の差をとり、これより最も小さい周波数の電磁波を減じた周波数が、量子ビットのラーモア周波数に等しい状態であるようにされていてもよい。

本発明の実施の形態における量子ビット装置の構成例を示す構成図である。 ２つのマイクロ波の周波数ＭＷ１，ＭＷ２の和が、磁束量子ビット１０１のラーモア周波数と等しい状態を示す説明図である。 読み出された磁束量子ビット１０１のコヒーレント振動と、制御ライン１０２より照射されているマイクロ波（マイクロ波パルス）のパルス長との関係を示す特性図である。 ２つのマイクロ波の周波数ＭＷ１，ＭＷ２の差が、磁束量子ビット１０１のラーモア周波数と等しい状態を示す説明図である。 読み出された磁束量子ビット１０１のコヒーレント振動と、制御ライン１０２より照射されているマイクロ波（マイクロ波パルス）のパルス長との関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態における他の量子ビット装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態における他の量子ビット装置の構成を示す構成図である。 ２つの光の周波数Ｌ１，Ｌ２の差が、磁束量子ビット１０１のラーモア周波数と等しい状態を示す説明図である。 本発明の実施の形態における他の量子ビット装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態における他の量子ビット装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態における他の量子ビット装置の構成を示す構成図である。 従来よりある量子ビットの制御について説明する説明図である。 従来よりある量子ビットの制御について説明する説明図である。 従来よりある量子ビットの制御について説明する説明図である。

符号の説明

１０１…磁束量子ビット、１０２…制御ライン、１０３…ＳＱＵＩＤ、１０４…半導体基板（チップ）、１０５…チップホルダー、１０６…希釈冷凍機、１０７…量子ビット制御部、１０８…同軸ケーブル、１１１，１１２，１１３…ジョセフソン接合、１３１，１３２…ジョセフソン接合、１３３…電流源、１３４…電圧アンプ、１７１，１７２…マイクロ波発生器、１７３…パルス発生器、１７４，１７５…ダブルバランスミキサー、ＳＰ１，ＳＰ２…スプリッター。

Claims (9)

1. 量子ビットと、
   この量子ビットに異なる周波数の電磁波よりなる所定のパルス長とされたパルス状の制御信号を照射する量子ビット制御手段と
   を少なくとも備えることを特徴とする量子ビット装置。
2. 請求項１記載の量子ビット装置において、
   前記異なる周波数の電磁波の周波数の和は、前記量子ビットのラーモア周波数に等しくされている
   ことを特徴とする量子ビット装置。
3. 請求項１記載の量子ビット装置において、
   前記異なる周波数の電磁波の周波数の差は、前記量子ビットのラーモア周波数に等しくされている
   ことを特徴とする量子ビット装置。
4. 請求項１又は３記載の量子ビット装置において、
   前記制御信号を伝送する伝送線路と、
   この伝送線路に設けられた前記量子ビットのラーモア周波数より高い周波数の電磁波を通過するハイパスフィルターと
   を備えることを特徴とする量子ビット装置。
5. 請求項１，３，４のいずれか１項に記載の量子ビット装置において、
   前記電磁波は、光であることを特徴とする量子ビット装置。
6. 量子ビットに、異なる周波数の電磁波よりなる所定のパルス長とされたパルス状の制御信号を照射し、前記量子ビットの２つの状態を制御する
   ことを特徴とする量子ビット装置の制御方法。
7. 請求項６記載の量子ビットの制御方法において、
   前記異なる周波数の電磁波の周波数の和が、前記量子ビットのラーモア周波数に等しくされている
   ことを特徴とする量子ビットの制御方法。
8. 請求項６記載の量子ビットの制御方法において、
   前記異なる周波数の電磁波の周波数の差が、前記量子ビットのラーモア周波数に等しくされている
   ことを特徴とする量子ビットの制御方法。
9. 請求項６又は８記載の量子ビットの制御方法において、
   前記電磁波は、光であることを特徴とする量子ビットの制御方法。
   

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