JP5497596B2 - Quantum state control method - Google Patents
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Description
本発明は、量子ビットの量子状態を制御する量子状態制御方法に関する。 The present invention relates to a quantum state control method for controlling a quantum state of a qubit.
量子状態を利用する量子ビットは、熱エネルギーによる量子状態の破壊を避けるため、多くの場合、極低温の環境で実現されている。また、量子ビットを測定したときに得られる信号は、小さいことが多く、十分な精度で測定するためには、フィルターや増幅器が欠かせない。 Qubits that use quantum states are often realized in a cryogenic environment in order to avoid the destruction of quantum states due to thermal energy. In addition, signals obtained when measuring qubits are often small, and filters and amplifiers are indispensable for measuring with sufficient accuracy.
例えば、量子状態の制御では、図８に示すように、まず、冷凍機８０１の内部に配置した量子ビット８０２の量子状態を検出器８０３で検出し、検出した信号を測定装置８０４の測定部８０５で測定し、パルス生成部８０６で制御パルスを生成する。生成した制御パルスは制御線８０７に伝送され、量子ビット８０２を制御する。 For example, in the control of the quantum state, as shown in FIG. 8, first, the quantum state of the quantum bit 802 arranged inside the refrigerator 801 is detected by the detector 803, and the detected signal is measured by the measuring unit 805 of the measuring device 804. Then, the pulse generation unit 806 generates a control pulse. The generated control pulse is transmitted to the control line 807 and controls the qubit 802.
ここで、上述した量子状態の制御では、量子状態の情報を得るために、冷凍機８０１内の量子ビットの状態を検出した検出器８０３より出力される微小な信号を、冷凍機８０１の内部や外部のフィルター（不図示）や増幅器（不図示）を用いて十分大きな信号にしている。このため、得られた量子状態の情報をもとにして量子状態の制御を行おうとすると、フィルターや配線による遅延、および、得られた量子状態の情報をもとに量子ビット８０２の制御パルスを生成するための遅延などが発生してしまう。 Here, in the above-described control of the quantum state, in order to obtain information on the quantum state, a minute signal output from the detector 803 that detects the state of the qubit in the refrigerator 801 is transmitted to the inside of the refrigerator 801 or A sufficiently large signal is obtained by using an external filter (not shown) and an amplifier (not shown). For this reason, when trying to control the quantum state based on the obtained quantum state information, the control pulse of the qubit 802 is changed based on the delay due to the filter and the wiring and the obtained quantum state information. A delay for generation occurs.
量子ビットを利用する量子演算は、コヒーレンス時間内に行う必要がある。しかしながら、上述した遅延のために、量子状態に基づく量子状態制御をコヒーレンス時間内に実現することは容易ではないという問題があった。 Quantum operations using qubits must be performed within the coherence time. However, due to the delay described above, there is a problem that it is not easy to realize quantum state control based on the quantum state within the coherence time.
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、量子ビットの量子状態に基づいて、量子ビットの量子状態を制御できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to make it possible to control the quantum state of a qubit based on the quantum state of the qubit.
本発明に係る量子状態制御方法は、少なくとも一組の量子ビットと、量子ビットと相互作用して量子状態を検出した後にこの検出結果を保持する量子状態検出器とを有する量子装置の制御を行う量子状態制御方法において、量子ビットと量子状態検出器との相互作用による量子状態の検出結果に応じたエネルギー変化をした量子ビットを、任意の量子状態に変化させる。 The quantum state control method according to the present invention controls a quantum device having at least one set of qubits and a quantum state detector that holds the detection result after detecting the quantum state by interacting with the qubit. In the quantum state control method, a qubit whose energy has been changed according to the detection result of the quantum state due to the interaction between the qubit and the quantum state detector is changed to an arbitrary quantum state.
上記量子状態制御方法において、量子状態検出器による量子状態の検出は、読み出しパルスの量子状態検出器への照射により行い、任意の量子状態の生成は、量子ビットの量子状態を回転させる制御パルスを量子ビットに照射することで行い、制御パルスの照射は、エネルギー変化をした後の量子ビットに対して読み出しパルスの照射中に行う。例えば、量子ビットへの制御パルスの照射は、量子ビットの量子状態を９０°回転させるパルス幅の制御パルスの照射を含む。 In the above quantum state control method, the quantum state is detected by the quantum state detector by irradiating the quantum state detector with a readout pulse, and an arbitrary quantum state is generated by using a control pulse that rotates the quantum state of the qubit. done by irradiating the qubit, the irradiation of the control pulses, intends row during irradiation of the read pulse relative to the qubit after the energy change. For example, irradiation of the control pulse to the qubit includes irradiation of a control pulse having a pulse width that rotates the quantum state of the qubit by 90 °.
また、本発明に係る量子状態制御方法は、量子ビットに相互作用する状態で結合した量子状態検出器を動作させる読み出しパルスの量子状態検出器への照射を開始する第１ステップと、読み出しパルスの照射により量子ビットが量子ビットのいずれかの固有状態に射影した後で量子ビットの量子状態を９０°回転させるパルス幅の第１制御パルスを量子ビットに照射する第２ステップと、第１制御パルスが照射されてからπ／（２Δω）の後の量子ビットの量子状態を所望の角度回転させる所望のパルス幅の第２制御パルスの照射、および第１制御パルスが照射されてからπ／Δωの後の量子ビットの量子状態を所望の角度回転させる所望のパルス幅の第３制御パルスの照射の少なくとも１つの照射を行う第３ステップと、第１制御パルスを照射してからπ／Δωの後の所望の時間後に読み出しパルスの照射を停止する第４ステップとを少なくとも備え、Δωは、量子ビットの２つの励起状態のエネルギーの変化分である。 Further, the quantum state control method according to the present invention includes a first step of starting irradiation of a quantum state detector with a readout pulse that operates a quantum state detector coupled in a state of interacting with a qubit; A second step of irradiating the qubit with a first control pulse having a pulse width that rotates the quantum state of the qubit by 90 ° after the qubit is projected onto any eigenstate of the qubit by irradiation; Is irradiated with a second control pulse having a desired pulse width that rotates the quantum state of the qubit after π / (2Δω) after the irradiation of the first control pulse, and π / Δω after the first control pulse is irradiated. A third step of performing at least one irradiation of a third control pulse having a desired pulse width for rotating a quantum state of a subsequent qubit by a desired angle; and irradiating the first control pulse At least a fourth step of stopping the irradiation of the reading pulse after a desired time after the [pi / [Delta] [omega from, [Delta] [omega is the change in energy of the two excited states of qubit.
上記量子状態制御方法において、第３ステップは、第１制御パルスが照射されてからπ／（２Δω）の後に、量子ビットの量子状態を所望の角度回転させる所望のパルス幅の第２制御パルスを量子ビットに照射する第５ステップと、第２制御パルスが照射されてからπ／（２Δω）の後に、量子ビットの量子状態を所望の角度回転させる所望のパルス幅の第３制御パルスを量子ビットに照射する第６ステップとを備え、第４ステップでは、第３制御パルスを照射してから所望の時間後に読み出しパルスの照射を停止するようにすればよい。 In the quantum state control method, the third step is to perform a second control pulse having a desired pulse width that rotates the quantum state of the qubit by a desired angle after π / (2Δω) after the first control pulse is irradiated. The fifth step of irradiating the qubit and a third control pulse having a desired pulse width for rotating the quantum state of the qubit by a desired angle after π / (2Δω) after the second control pulse is irradiated. In the fourth step, the irradiation of the readout pulse may be stopped after a desired time from the irradiation of the third control pulse.
上記量子状態制御方法において、量子状態検出器は、読み出しパルスに応じてジョセフソン分岐読み出し動作を行うことにより、量子ビットの磁束に応じて位相が変化した応答パルスを出力する超伝導量子干渉計と、読み出しパルスが入力される入力端と、超伝導量子干渉計からの応答パルスを出力する出力端と、入力端および出力端に接続された超伝導量子干渉計を含む共振器とを備えるものであればよい。 In the quantum state control method, the quantum state detector includes a superconducting quantum interferometer that outputs a response pulse whose phase is changed according to the magnetic flux of the qubit by performing a Josephson branch reading operation according to the read pulse. An input terminal to which a readout pulse is input, an output terminal for outputting a response pulse from the superconducting quantum interferometer, and a resonator including a superconducting quantum interferometer connected to the input terminal and the output terminal. I just need it.
以上説明したように、本発明によれば、読み出しパルスを照射している間に、各制御パルスを量子ビットに照射するなど、量子ビットと量子状態検出器との相互作用による量子状態の検出結果に応じたエネルギー変化をした量子ビットを、任意の量子状態に変化させるようにしたので、固有状態に射影した量子ビットの量子状態に基づいて、量子ビットの量子状態を制御できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the detection result of the quantum state by the interaction between the qubit and the quantum state detector, such as irradiating each control pulse to the qubit while irradiating the readout pulse. Since the qubits that have changed energy according to the state are changed to any quantum state, the quantum state of the qubit can be controlled based on the quantum state of the qubit projected to the eigenstate. Effect.
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状態制御方法を説明するフローチャートである。この量子状態制御方法は、まず、ステップＳ１０１で、量子ビットに相互作用する状態で結合した量子状態検出器を動作させる読み出しパルスの量子状態検出器への照射を開始する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart for explaining a quantum state control method according to an embodiment of the present invention. In this quantum state control method, first, in step S101, irradiation of the quantum state detector with a readout pulse for operating the quantum state detector coupled in a state of interacting with the qubit is started.
次に、ステップＳ１０２で、読み出しパルスの照射により量子ビットが量子ビットのいずれかの固有状態に射影した後で量子ビットの量子状態を９０°回転させるパルス幅の第１制御パルスを量子ビットに照射する。 Next, in step S102, the qubit is irradiated with a first control pulse having a pulse width that rotates the quantum state of the qubit by 90 ° after the qubit is projected onto any eigenstate of the qubit by irradiation of the readout pulse. To do.
次に、ステップＳ１０３で、第１制御パルスが照射されてからπ／（２Δω）の後の量子ビットの量子状態を所望の角度回転させる所望のパルス幅の第２制御パルスの照射、および、第１制御パルスが照射されてからπ／Δωの後の量子ビットの量子状態を所望の角度回転させる所望のパルス幅の第３制御パルスの照射の少なくとも１つの照射を行う。 Next, in step S103, irradiation with a second control pulse having a desired pulse width for rotating the quantum state of the qubit after π / (2Δω) after irradiation with the first control pulse by a desired angle, and At least one irradiation of a third control pulse having a desired pulse width for rotating the quantum state of the qubit after π / Δω after the irradiation of one control pulse by a desired angle is performed.
例えば、第１制御パルスが照射されてからπ／（２Δω）の後に、量子ビットの量子状態を所望の角度回転させる所望のパルス幅の第２制御パルスを量子ビットに照射し、次に、第２制御パルスが照射されてからπ／（２Δω）の後に、量子ビットの量子状態を所望の角度回転させる所望のパルス幅の第３制御パルスを量子ビットに照射すればよい。 For example, after π / (2Δω) after irradiation of the first control pulse, a second control pulse having a desired pulse width that rotates the quantum state of the qubit by a desired angle is irradiated to the qubit, and then After π / (2Δω) after the two control pulses are irradiated, the qubit may be irradiated with a third control pulse having a desired pulse width that rotates the quantum state of the qubit by a desired angle.
次に、ステップＳ１０４で、第３制御パルスを照射してから所望の時間後に読み出しパルスの照射を停止する。 Next, in step S104, the irradiation of the readout pulse is stopped after a desired time from the irradiation of the third control pulse.
なお、上記Δωは、量子ビットの２つの励起状態のエネルギーの変化分である。 Note that Δω is a change in energy of two excited states of the qubit.
上述した実施の形態における量子状態制御方法によれば、第２制御パルスのパルス幅、第３制御パルスのパルス幅、および第３制御パルスを照射してから読み出しパルスの照射を停止するまでの時間を、適宜に設定することで、読み出しパルスの照射によりいずれかの固有状態に射影した後の量子ビットの量子状態に基づいて、量子ビットの量子状態が制御できるようになる。ここで、第２制御パルスのパルス幅を０とすれば、第２制御パルスの照射はせずに、第３制御パルスを照射することになる。また、第３制御パルスのパルス幅を０とすれば、第３制御パルスは照射しないことになる。 According to the quantum state control method in the embodiment described above, the pulse width of the second control pulse, the pulse width of the third control pulse, and the time from the irradiation of the third control pulse to the stop of the irradiation of the readout pulse Is appropriately set, the quantum state of the qubit can be controlled based on the quantum state of the qubit after being projected to any one of the eigenstates by irradiation of the readout pulse. Here, if the pulse width of the second control pulse is 0, the third control pulse is irradiated without irradiation of the second control pulse. If the pulse width of the third control pulse is 0, the third control pulse is not irradiated.
以下、量子ビットの量子状態制御についてより詳細に説明する。 Hereinafter, the quantum state control of the qubit will be described in more detail.
はじめに、概要について説明する。まず、本実施の形態による量子状態制御方法では、量子ビットおよびこの量子ビットと結合した量子状態検出器を備える構成が制御対象となる。量子状態検出器と量子ビットとの間には相互作用があり、量子状態検出器の状態は、測定時の量子ビットの状態を反映して当該状態を保持する。また、量子ビットも、量子状態検出器の状態を反映し、量子ビットのエネルギーを僅かに変化させる。 First, an outline will be described. First, in the quantum state control method according to the present embodiment, a configuration including a qubit and a quantum state detector coupled to the qubit is a control target. There is an interaction between the quantum state detector and the qubit, and the state of the quantum state detector reflects the state of the qubit at the time of measurement and holds the state. The qubit also reflects the state of the quantum state detector and slightly changes the energy of the qubit.
ここで、本発明では、図２に示すように、まず、読み出しパルスの照射により、未知状態｜Ψ〉２０１の量子ビットの量子状態が、量子状態検出器により検出２０２される状態となる。この後、量子状態検出器で検出２０２されている状態｜ｇ〉２０３もしくは状態｜ｅ〉２０４に制御操作２０５を加える。前述した各制御パルスの量子ビットへの照射が、制御操作２０５である。これにより、量子ビットを、所望とする第１任意状態２０６もしくは第２任意状態２０７の状態にする。 Here, in the present invention, as shown in FIG. 2, first, the quantum state of the quantum bit of the unknown state | Ψ> 201 is detected 202 by the quantum state detector by irradiation with the readout pulse. Thereafter, a control operation 205 is added to the state | g> 203 or the state | e> 204 detected 202 by the quantum state detector. The above-described irradiation of each control pulse to the qubit is a control operation 205. As a result, the qubit is set to the desired first arbitrary state 206 or second arbitrary state 207.
なお、図２において、第１任意状態２０６もしくは第２任意状態２０７を示す式では、θ1およびθ2は、｜ｇ〉を北極の方向に向いた状態に対応させ、｜ｅ〉を南極の方向に向いた状態に対応させたブロッホ球表示において、量子状態の変化に対応する緯度に相当している。また、φは、上記ブロッホ球表示において、量子状態の変化に対応する経度に相当している。 In FIG. 2, in the expression indicating the first arbitrary state 206 or the second arbitrary state 207, θ 1 and θ 2 correspond to the state where | g> is directed toward the north pole, and | e> is the south pole. In the Bloch sphere display corresponding to the state facing the direction, it corresponds to the latitude corresponding to the change of the quantum state. Φ corresponds to the longitude corresponding to the change of the quantum state in the Bloch sphere display.
上述したように、本発明では、量子ビットの状態を検出した量子状態検出器によって量子ビットのエネルギーが変化することを利用し、量子状態検出器が検出している量子状態を他の領域に出力することなく、量子ビットの量子状態に応じた任意の状態を制御・形成している。このため、本発明では、量子状態の測定（検出）における遅延など、量子状態の測定結果（検出結果）を反映させることによる遅延が発生せず、高速な量子状態の制御が実現できる。 As described above, in the present invention, the quantum state detected by the quantum state detector is used to output the quantum state detected by the quantum state detector to another region using the quantum state detector that detects the state of the qubit. Without controlling, an arbitrary state according to the quantum state of the qubit is controlled and formed. Therefore, in the present invention, there is no delay caused by reflecting the measurement result (detection result) of the quantum state, such as a delay in measurement (detection) of the quantum state, and high-speed quantum state control can be realized.
次に、制御対象となる量子ビットおよび量子状態検出器を含むシステムの構成について説明する。ここでは、量子ビットが超伝導磁束量子ビットであり、量子状態検出器がジョセフソン分岐増幅によるものである場合について説明する。ジョセフソン分岐増幅は、非線形共振器の双安定状態を利用し、被測定系の微小変化によって共振器の収束する安定状態が変化するように駆動することで、被測定系の変位を共振器の共振状態の違いとして検出するものである。 Next, the configuration of a system including a qubit to be controlled and a quantum state detector will be described. Here, a case where the qubit is a superconducting flux qubit and the quantum state detector is based on Josephson branch amplification will be described. Josephson bifurcation amplification uses the bistable state of the nonlinear resonator, and drives the displacement of the system under measurement to change the state of the resonator under measurement by driving the system so that the stable state of convergence of the resonator changes due to a minute change in the system under measurement. This is detected as a difference in the resonance state.
図３に示すように、量子状態検出器３０１は、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉計）３０３、第１共振回路３０４、第２共振回路３０５を備えている。ＳＱＵＩＤ３０３は、対応する量子ビット３０２と磁気的に結合して設けられ、入力された読み出しパルスに応じてジョセフソン分岐読み出し動作を行う機能を有している。第１共振回路３０４は、量子状態検出器３０１の入力端とＳＱＵＩＤ３０３との間に接続され、第２共振回路３０５は、ＳＱＵＩＤ３０３と量子状態検出器３０１の出力端との間に接続される。ＳＱＵＩＤ３０３、第１共振回路３０４、および第２共振回路３０５で、共振器を構成している。 As shown in FIG. 3, the quantum state detector 301 includes a SQUID (superconducting quantum interferometer) 303, a first resonance circuit 304, and a second resonance circuit 305. The SQUID 303 is provided so as to be magnetically coupled to the corresponding qubit 302 and has a function of performing a Josephson branch read operation in accordance with an input read pulse. The first resonance circuit 304 is connected between the input terminal of the quantum state detector 301 and the SQUID 303, and the second resonance circuit 305 is connected between the SQUID 303 and the output terminal of the quantum state detector 301. The SQUID 303, the first resonance circuit 304, and the second resonance circuit 305 constitute a resonator.
量子ビット３０２は、例えば寸法が５μｍ角程度であり、誘電体基板（不図示）上に形成されたアルミニウムなどの超伝導ループから構成されており、この超伝導ループ上に３つのジョセフソン接合を含んでいる。なお、図３において、ジョセフソン接合は、「×」で示している。量子ビット３０２の超伝導ループを流れる右回り「｜ｅ＞」と左回り「｜ｇ＞」の超伝導電流が、量子ビット３０２の２つの状態に対応する。 The qubit 302 has a size of about 5 μm square, for example, and is composed of a superconducting loop made of aluminum or the like formed on a dielectric substrate (not shown). Three Josephson junctions are formed on the superconducting loop. Contains. In FIG. 3, the Josephson junction is indicated by “x”. The clockwise “| e>” and counterclockwise “| g>” superconducting currents flowing through the superconducting loop of the qubit 302 correspond to the two states of the qubit 302.
ＳＱＵＩＤ３０３は、例えば７μｍ四方のサイズで、上記誘電体基板上で量子ビット３０２の外側を囲むように形成されたアルミニウムなどの超伝導ループから構成されている。ＳＱＵＩＤ３０３は、超伝導ループ上に２つのジョセフソン接合を含んでいる。 The SQUID 303 has a size of 7 μm square, for example, and is composed of a superconducting loop made of aluminum or the like formed on the dielectric substrate so as to surround the outside of the quantum bit 302. SQUID 303 includes two Josephson junctions on a superconducting loop.
量子ビット３０２の超伝導ループを流れるループ電流の向きが変わると、ＳＱＵＩＤ３０３の中を貫く磁束量子の量が変化し、この磁束量子の変化に応じてＳＱＵＩＤ３０３のジョセフソンインダクタンスが０．１％程度変わる。この変化によって駆動時の安定状態が変わるように、読み出しパルスの強度や周波数を調節することで、量子ビット３０２の量子状態を応答パルスの位相および振幅の変化として検出することができる。 When the direction of the loop current flowing through the superconducting loop of the qubit 302 is changed, the amount of magnetic flux quantum passing through the SQUID 303 is changed, and the Josephson inductance of the SQUID 303 is changed by about 0.1% in accordance with the change of the magnetic flux quantum. . The quantum state of the qubit 302 can be detected as a change in the phase and amplitude of the response pulse by adjusting the intensity and frequency of the readout pulse so that the stable state at the time of driving is changed by this change.
これら量子ビット３０２およびＳＱＵＩＤ３０３の製造方法や構成については公知の技術に基づくものであり、ここでの詳細な説明は省略する。 The manufacturing method and configuration of these qubits 302 and SQUIDs 303 are based on known techniques and will not be described in detail here.
第１共振回路３０４は、量子ビット３０２およびＳＱＵＩＤ３０３と同一の誘電体基板上に形成されている。第２共振回路３０５も、量子ビット３０２およびＳＱＵＩＤ３０３と同一の誘電体基板上に形成されている。 The first resonance circuit 304 is formed on the same dielectric substrate as the qubit 302 and the SQUID 303. The second resonance circuit 305 is also formed on the same dielectric substrate as the qubit 302 and the SQUID 303.
また、量子ビット３０２の近傍には、制御線３０６が設けられている。制御線３０６も、量子ビット３０２およびＳＱＵＩＤ３０３と同一の誘電体基板上に形成されている。
また、上記誘電体基板は、冷凍機３００に収容され、量子ビット３０２およびＳＱＵＩＤ３０３などに、超伝導電流が流れる温度に冷却されている。
A control line 306 is provided in the vicinity of the qubit 302. The control line 306 is also formed on the same dielectric substrate as the qubit 302 and SQUID 303.
The dielectric substrate is housed in the refrigerator 300 and is cooled to a temperature at which a superconducting current flows in the qubit 302 and the SQUID 303.
また、量子状態検出器３０１の、入力端には、読み出しパルス生成部３１１が接続し、制御線３０６には、制御パルス生成部３１２が接続し、量子状態検出器３０１の出力端には、増幅器３０７を介して信号検出部３１３が接続されている。読み出しパルス生成部３１１，制御パルス生成部３１２，および信号検出部３１３は、例えば、冷凍機３００の外部に配置された測定装置３１０内に設けられている。 Further, the readout pulse generator 311 is connected to the input end of the quantum state detector 301, the control pulse generator 312 is connected to the control line 306, and the amplifier is connected to the output end of the quantum state detector 301. A signal detection unit 313 is connected via 307. The readout pulse generation unit 311, the control pulse generation unit 312, and the signal detection unit 313 are provided, for example, in a measurement device 310 disposed outside the refrigerator 300.
共振器である量子状態検出器３０１の共振周波数は、容量素子の電極面積や電極間距離、あるいは伝送線路の線路長など、各々の素子の物理的属性値より調整すればよい。 The resonance frequency of the quantum state detector 301 that is a resonator may be adjusted based on the physical attribute value of each element, such as the electrode area and interelectrode distance of the capacitive element, or the line length of the transmission line.
このようなＳＱＵＩＤ３０３に第１共振回路３０４，第２共振回路３０５を接続して構成した量子状態検出器３０１に、読み出しパルス生成部３１１より出力されたマイクロ波の読み出しパルスを照射すると、非線形性に起因して２つの状態のいずれかに安定する。したがって、この双安定状態において、量子ビット３０２とＳＱＵＩＤ３０３とを相互作用させれば、量子状態検出器３０１がどちらの安定状態（高振幅状態または低振幅状態）に収束するかに基づいて、量子ビット３０２の量子状態を読み出すことができる。なお、高振幅状態と低振幅状態とは、基準の振幅状態に対するものではなく、各々を比較した状態を示しており、高振幅状態は、低振幅状態より高い振幅の状態であることを示している。 When the quantum state detector 301 configured by connecting the first resonance circuit 304 and the second resonance circuit 305 to the SQUID 303 is irradiated with a microwave readout pulse output from the readout pulse generation unit 311, nonlinearity is caused. Due to this, it stabilizes in one of two states. Accordingly, in this bistable state, if the qubit 302 and the SQUID 303 interact, the qubit is based on which stable state (high amplitude state or low amplitude state) the quantum state detector 301 converges. 302 quantum states can be read. The high-amplitude state and the low-amplitude state are not relative to the reference amplitude state, but indicate a state in which each is compared. Yes.
また、制御パルス生成部３１２より、第１制御パルス，第２制御パルス，および第３制御パルスを出力し、制御線３０６により量子ビット３０２に照射する。 Further, the control pulse generation unit 312 outputs the first control pulse, the second control pulse, and the third control pulse, and irradiates the qubit 302 with the control line 306.
ここで、読み出しパルスの照射を開始し、一度、安定状態が実現すると、読み出しパルスのテールが持続している（読み出しパルスの照射が継続している）間は、当該状態を保持する。量子状態検出器３０１と量子ビット３０２とは、結合している。このため、上述したように読み出しパルスの照射が継続されていずれかの状態に安定しているとき、量子ビット３０２は、量子状態検出器３０１の振幅に依存するエネルギーシフトを受ける。 Here, once the irradiation of the readout pulse is started and once the stable state is realized, the state is maintained as long as the tail of the readout pulse is continued (irradiation of the readout pulse is continued). The quantum state detector 301 and the qubit 302 are coupled. For this reason, as described above, when the readout pulse irradiation is continued and stabilized in any state, the qubit 302 undergoes an energy shift that depends on the amplitude of the quantum state detector 301.
このエネルギーシフトの状態を図４に示す、図４において、灰色と黒色とで異なるエネルギー状態を示しており、これらの間のエネルギーシフトがΔωである。図４は、ジョセフソン分岐増幅の分岐の様子と共振器の状態に対応する量子ビットのエネルギーを示しており、灰色と黒色とで異なるエネルギー状態を示している。共振器を読み出しパルスで駆動すると、量子ビットの状態に応じて、高振幅状態（灰色）または低振幅状態（黒色）で共振する。この共振器の状態は、読み出しパルスを照射している間は保持される。量子ビットが励起状態のときに共振器が高振幅状態になると、量子ビットはエネルギーシフトを受けるため、共振器が低振幅状態の場合よりも、量子ビットの共鳴周波数が、エネルギーシフトΔωに相当する値だけずれる。このエネルギーシフトΔωは、ジョセフソン分岐増幅などの測定により、予め求めておけばよい。 This energy shift state is shown in FIG. 4. In FIG. 4, different energy states are shown for gray and black, and the energy shift between them is Δω. FIG. 4 shows the state of the branch of Josephson branch amplification and the energy of the qubit corresponding to the state of the resonator, and shows different energy states in gray and black. When the resonator is driven by a readout pulse, it resonates in a high amplitude state (gray) or a low amplitude state (black) depending on the state of the qubit. This state of the resonator is maintained while the readout pulse is irradiated. When the resonator is in the high amplitude state when the qubit is in the excited state, the qubit undergoes an energy shift, and therefore, the resonance frequency of the qubit corresponds to the energy shift Δω than in the case where the resonator is in the low amplitude state. Only the value shifts. This energy shift Δω may be obtained in advance by measurement such as Josephson branch amplification.
本発明では、図５に示すように、上述した読み出しパルス５０１の照射を継続している間において、３つの第１制御パルス５０２，第２制御パルス５０３，および第３制御パルス５０４を、量子ビットに照射する。なお、各々のパルスは、共振器の状態による量子ビットのエネルギーシフトの逆数時間よりも十分に短いので、各々のパルスによる量子ビット状態のラビ（Rabi）回転角は、よい近似で、量子ビットのエネルギーシフトには依存しないと考えられる。 In the present invention, as shown in FIG. 5, while the irradiation of the readout pulse 501 is continued, the three first control pulses 502, the second control pulse 503, and the third control pulse 504 are converted into qubits. Irradiate. Since each pulse is sufficiently shorter than the reciprocal time of the energy shift of the qubit due to the resonator state, the Rabi rotation angle of the qubit state due to each pulse is a good approximation, It is thought that it does not depend on energy shift.
読み出しパルス５０１の照射を終了した後で検出される状態は、「共振器が低振幅状態で量子ビットが基底状態」、または「共振器が高振幅状態で量子ビットが励起状態」であり、共振器の状態は、読み出しパルス５０１の照射中、保持される。 The state detected after the irradiation of the readout pulse 501 is “resonator is in a low amplitude state and the qubit is in a ground state” or “resonator is in a high amplitude state and the qubit is in an excited state” and is resonant. The state of the vessel is maintained during the irradiation of the readout pulse 501.
以下、読み出しパルス５０１の照射中における各制御パルスの照射による量子状態の変化について、図６を用いて説明する。図６では、量子状態をブロッホ球表示しており、量子状態｜ｇ〉を北極の方向に向いた状態に対応させ、量子状態｜ｅ〉を南極の方向に向いた状態に対応させて示している。 Hereinafter, a change in quantum state due to irradiation of each control pulse during irradiation of the readout pulse 501 will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the quantum state is represented by Bloch sphere, with the quantum state | g> corresponding to the state toward the north pole and the quantum state | e> corresponding to the state toward the south pole. Yes.
まず、第１制御パルス５０２の照射によって、図６の（ａ）から図６の（ｂ）に示すように、量子ビットの量子状態は９０°回転する。この後、共振器が高振幅状態（量子ビットが励起状態に対応）の場合には、量子ビットのエネルギーがシフトするので、量子状態の位相が変化する。この変化は、ブロッホ球で経度の変化に相当する。この位相が９０°回転する時間がτπ/2［＝π／（２Δω）］であり、時間τπ/2の後で、図６の（ｃ）に示す状態となる。時間τπ/2が経過して図６の（ｃ）に示す状態となったら、量子ビットの量子状態を所望の角度αだけ回転させる所望のパルス幅の第２制御パルス５０３を量子ビットに照射する。第２制御パルス５０３は、位相が９０°（π／２）ずれた状態には寄与しないので、共振器が低振幅状態となっている量子ビットの量子状態にのみ作用する（図６の（ｄ））。 First, as shown in FIGS. 6A to 6B, the quantum state of the qubit is rotated by 90 ° by irradiation with the first control pulse 502. Thereafter, when the resonator is in a high amplitude state (a qubit corresponds to an excited state), the energy of the qubit shifts, so that the phase of the quantum state changes. This change corresponds to a change in longitude in the Bloch sphere. The time for which the phase rotates by 90 ° is τ π / 2 [= π / (2Δω)], and after the time τ π / 2 , the state shown in FIG. When the time τ π / 2 has elapsed and the state shown in FIG. 6C is reached, the second control pulse 503 having a desired pulse width for rotating the quantum state of the quantum bit by a desired angle α is applied to the quantum bit. To do. Since the second control pulse 503 does not contribute to a state where the phase is shifted by 90 ° (π / 2), the second control pulse 503 acts only on the quantum state of the qubit in which the resonator is in the low amplitude state ((d in FIG. 6). )).
更に、時間τπ/2の後（図６の（ｅ））に、量子ビットの量子状態を所望の角度βだけ回転させる所望のパルス幅の第３制御パルス５０４を量子ビットに照射する。この照射により、まず、位相が０°で低振幅状態（量子ビットが基底状態に対応）の場合には、基底状態からθ1＝α＋β＋π／２だけ回転した状態となる。また、位相が０°で高振幅状態では、基底状態からθ2＝β＋π／２だけ回転した状態となる（図６の（ｆ））。 Further, after the time τ π / 2 ((e) in FIG. 6), the quantum bit is irradiated with a third control pulse 504 having a desired pulse width that rotates the quantum state of the quantum bit by a desired angle β. By this irradiation, first, when the phase is 0 ° and the low amplitude state (the qubit corresponds to the ground state), the state is rotated by θ 1 = α + β + π / 2 from the ground state. Further, in the high amplitude state where the phase is 0 °, the state is rotated by θ 2 = β + π / 2 from the ground state ((f) in FIG. 6).
この後、高振幅状態の量子状態の位相が、φだけ回転するのを待って（図６の（ｇ））、読み出しパルス５０１の照射を停止すれば、読み出しパルス５０１の照射により、量子状態検出器が検出している量子状態に応じた、任意の量子状態を形成することができる。 Thereafter, after waiting for the phase of the quantum state in the high amplitude state to rotate by φ ((g) in FIG. 6), if the irradiation of the readout pulse 501 is stopped, the quantum state is detected by the irradiation of the readout pulse 501. An arbitrary quantum state can be formed according to the quantum state detected by the device.
実例を挙げて説明すると、量子状態検出器が検出している量子状態が基底状態のときに量子状態を反転させて励起状態にし、量子状態検出器が検出している量子状態が励起状態のときには、このままにする例を挙げると、θ1＝π、θ2＝πなので、α＝０、β＝π／２である。 Explaining with an example, when the quantum state detected by the quantum state detector is in the ground state, the quantum state is inverted to the excited state, and when the quantum state detected by the quantum state detector is in the excited state In this example, θ 1 = π and θ 2 = π, so α = 0 and β = π / 2.
図７に示すように、読み出しパルス７０１の照射を開始してから所定の時間が経つと、図７の（ａ）に示すような量子状態を反映して量子状態検出器の共振器が安定状態になる。この状態となってから、量子ビットの量子状態をπ／２回転させるパルス幅の２つの制御パルス７０２，７０３を、間隔τπ（＝π／Δω）で照射することで、量子状態検出器が検出している量子状態が基底状態のときのみ、量子ビットの量子状態を反転させることができる。 As shown in FIG. 7, when a predetermined time has elapsed since the start of the irradiation of the readout pulse 701, the quantum state detector resonator is in a stable state, reflecting the quantum state as shown in FIG. become. After entering this state, the quantum state detector is irradiated with two control pulses 702 and 703 having a pulse width for rotating the quantum state of the qubit by π / 2 at an interval τ π (= π / Δω). Only when the detected quantum state is the ground state, the quantum state of the qubit can be inverted.
読み出しパルス７０１の照射により、図７の（ａ）に示すように量子状態が固有状態に射影されたのち、制御パルス７０２の照射により、図７の（ｂ）に示すように、量子ビットの量子状態は９０°回転する、この後、時間τπ（＝π／Δω）が経過すると、図７の（ｃ）に示すように、初めに励起状態であった量子状態の位相は１８０°回転した状態となる。この状態で、制御パルス７０３を照射すれば、読み出しパルス７０１の照射を停止した後、図７の（ｄ）に示すように、基底状態であった量子ビットの量子状態のみが反転する。 After the quantum state is projected to the eigenstate as shown in FIG. 7A by the irradiation of the readout pulse 701, the quantum of the quantum bit is irradiated as shown in FIG. 7B by the irradiation of the control pulse 702. The state rotates 90 °, and after this time τ π (= π / Δω) has elapsed, the phase of the quantum state that was initially excited has rotated 180 °, as shown in FIG. 7C. It becomes a state. If the control pulse 703 is irradiated in this state, after the irradiation of the readout pulse 701 is stopped, only the quantum state of the qubit that was in the ground state is inverted as shown in FIG.
なお、各制御パルスのパルス幅は、量子ビットに照射するマイクロ波の振幅強度を含む各条件を固定しておき、前もってラビ振動を測定し、ｃｏｓ(ωt)状の振動の時間依存性から決定すればよい。量子ビットのエネルギーシフトの大きさは、おおよそ数〜数十ＭＨｚのオーダーであり、各制御パルスのパルス幅は、各数ｎｓ（＜＜数十〜数百ｎｓ）である。照射するマイクロ波の振幅を選択することで、第１制御パルス，第２制御パルス，および第３制御パルスの各々のパルス幅は、数ｎｓのオーダーにすることが可能である。 The pulse width of each control pulse is determined based on the time dependence of cos (ωt) -like vibrations measured in advance, with each condition including the amplitude intensity of the microwave applied to the qubit fixed. do it. The magnitude of the energy shift of the qubit is on the order of several to several tens of MHz, and the pulse width of each control pulse is several ns (<< several tens to several hundreds ns). By selecting the amplitude of the microwave to be irradiated, the pulse width of each of the first control pulse, the second control pulse, and the third control pulse can be on the order of several ns.
以上に説明したように、本発明は、少なくとも一組の量子ビットと、量子ビットと相互作用して量子状態を検出した後にこの検出結果を保持する量子状態検出器とを有する量子装置の制御を行う量子状態制御方法において、量子ビットと量子状態検出器との相互作用による量子状態の検出結果に応じたエネルギー変化をした量子ビットに、量子状態検出器が検出した検出結果に応じて任意の量子状態を生成するようにしたところに特徴がある。ここで、上述した実施の形態で例を示したように、量子状態検出器による量子状態の検出は、読み出しパルスの量子状態検出器への照射により行い、任意の量子状態の生成は、量子ビットの量子状態を回転させる制御パルスを量子ビットに照射することで行い、制御パルスの照射は、エネルギー変化をした後の量子ビットに対して読み出しパルスの照射中に行うようにすればよい。例えば、量子ビットへの制御パルスの照射は、量子ビットの量子状態を９０°回転させるパルス幅の制御パルスの照射を含む。 As described above, the present invention controls a quantum device having at least one set of qubits and a quantum state detector that interacts with the qubits and detects the quantum state and holds the detection result. In the quantum state control method to be performed, any quantum depending on the detection result detected by the quantum state detector is added to the qubit whose energy is changed according to the detection result of the quantum state due to the interaction between the quantum bit and the quantum state detector. There is a feature in that the state is generated. Here, as shown in the above-described embodiment, the quantum state detection by the quantum state detector is performed by irradiating the quantum state detector with a readout pulse, and generation of an arbitrary quantum state is performed by a qubit. The control pulse for rotating the quantum state may be irradiated to the qubit, and the control pulse may be irradiated during the readout pulse irradiation with respect to the qubit after the energy change. For example, irradiation of the control pulse to the qubit includes irradiation of a control pulse having a pulse width that rotates the quantum state of the qubit by 90 °.
本発明によれば、簡単な構成によって高速な量子状態の制御が可能となるので、量子演算においてコヒーレンス時間を有効に使う点で大きな利点である。また、本発明を利用することにより、高速な量子状態の初期化や量子ビットの冷却なども可能になる。またＣ−ＮＯＴ演算と組み合わせることによって測定結果に応じて他の量子ビットを自由に制御することが可能であり、これは量子エラー訂正などに欠かせない技術である。 According to the present invention, the quantum state can be controlled at high speed with a simple configuration, which is a great advantage in that the coherence time is effectively used in the quantum operation. In addition, by using the present invention, high-speed quantum state initialization, qubit cooling, and the like are possible. In combination with the C-NOT operation, other qubits can be freely controlled according to the measurement result, which is a technique indispensable for quantum error correction and the like.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、量子ビットへの制御パルスの照射は、量子ビットの量子状態を９０°回転させるパルス幅の制御パルスの照射のみでもよい。また、例えば、量子状態の検出は、ジョセフソン分岐増幅に限るものではなく、他の検出技術を用いるようにしてもよい。 It should be noted that the present invention is not limited to the embodiment described above, and that many modifications can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, the control pulse may be irradiated to the qubit only by the control pulse having a pulse width that rotates the quantum state of the qubit by 90 °. For example, the detection of the quantum state is not limited to Josephson branch amplification, and other detection techniques may be used.
３００…冷凍機、３０１…量子状態検出器、３０２…量子ビット、３０３…ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉計）、３０４…第１共振回路、３０５…第２共振回路、３０６…制御線、３０７…増幅器、３１０…測定装置、３１１…読み出しパルス生成部、３１２…制御パルス生成部、３１３…信号検出部、３４１，３５１…容量素子、３４２，３５２…伝送線路。 300 ... refrigerator, 301 ... quantum state detector, 302 ... qubit, 303 ... SQUID (superconducting quantum interferometer), 304 ... first resonance circuit, 305 ... second resonance circuit, 306 ... control line, 307 ... amplifier , 310 ... Measuring device, 311 ... Read pulse generator, 312 ... Control pulse generator, 313 ... Signal detector, 341, 351 ... Capacitance element, 342, 352 ... Transmission line.
Claims (5)
前記量子ビットと相互作用して量子状態を検出した後にこの検出結果を保持する量子状態検出器とを有する量子装置の制御を行う量子状態制御方法において、
前記量子ビットと前記量子状態検出器との相互作用による量子状態の検出結果に応じたエネルギー変化をした前記量子ビットを、任意の量子状態に変化させ、
前記量子状態検出器による量子状態の検出は、読み出しパルスの前記量子状態検出器への照射により行い、
前記任意の量子状態の生成は、前記量子ビットの量子状態を回転させる制御パルスを前記量子ビットに照射することで行い、
前記制御パルスの照射は、前記エネルギー変化をした後の前記量子ビットに対して前記読み出しパルスの照射中に行う
ことを特徴とする量子状態制御方法。 At least one set of qubits;
In a quantum state control method for controlling a quantum device having a quantum state detector that holds a detection result after detecting a quantum state by interacting with the qubit,
The qubit having an energy change according to a detection result of a quantum state due to an interaction between the qubit and the quantum state detector is changed to an arbitrary quantum state ,
Detection of the quantum state by the quantum state detector is performed by irradiating the quantum state detector with a readout pulse,
The generation of the arbitrary quantum state is performed by irradiating the qubit with a control pulse that rotates the quantum state of the qubit,
The quantum state control method , wherein the irradiation of the control pulse is performed during the irradiation of the readout pulse with respect to the qubit after the energy change .
前記量子ビットへの制御パルスの照射は、前記量子ビットの量子状態を９０°回転させるパルス幅の制御パルスの照射を含むことを特徴とする量子状態制御方法。 The quantum state control method according to claim 1 ,
Irradiation of the control pulse to the qubit includes irradiation of a control pulse having a pulse width that rotates the quantum state of the qubit by 90 °.
前記読み出しパルスの照射により前記量子ビットが前記量子ビットのいずれかの固有状態に射影した後で前記量子ビットの量子状態を９０°回転させるパルス幅の第１制御パルスを前記量子ビットに照射する第２ステップと、
前記第１制御パルスが照射されてからπ／（２Δω）の後の前記量子ビットの量子状態を所望の角度回転させる所望のパルス幅の第２制御パルスの照射、および前記第１制御パルスが照射されてからπ／Δωの後の前記量子ビットの量子状態を所望の角度回転させる所望のパルス幅の第３制御パルスの照射の少なくとも１つの照射を行う第３ステップと、
前記第１制御パルスを照射してからπ／Δωの後の所望の時間後に前記読み出しパルスの照射を停止する第４ステップと
を少なくとも備え、
前記Δωは、前記量子ビットの２つの励起状態のエネルギーの変化分であることを特徴とする量子状態制御方法。 A first step of irradiating the quantum state detector with a readout pulse that operates a quantum state detector coupled in a state of interacting with a qubit;
A first control pulse having a pulse width that rotates the quantum state of the qubit by 90 ° after the qubit is projected onto one of the eigenstates of the qubit by irradiation of the readout pulse is applied to the qubit. Two steps,
Irradiation of the second control pulse having a desired pulse width for rotating the quantum state of the qubit after π / (2Δω) after irradiation of the first control pulse by a desired angle, and irradiation of the first control pulse A third step of performing at least one irradiation of a third control pulse having a desired pulse width for rotating the quantum state of the qubit after π / Δω by a desired angle;
And at least a fourth step of stopping irradiation of the readout pulse after a desired time after π / Δω after irradiation of the first control pulse,
[Delta] [omega] is a change in energy of two excited states of the qubit.
前記第３ステップは、
前記第１制御パルスが照射されてからπ／（２Δω）の後に、前記量子ビットの量子状態を所望の角度回転させる所望のパルス幅の第２制御パルスを前記量子ビットに照射する第５ステップと、
前記第２制御パルスが照射されてからπ／（２Δω）の後に、前記量子ビットの量子状態を所望の角度回転させる所望のパルス幅の第３制御パルスを前記量子ビットに照射する第６ステップと、
を備え、
前記第４ステップでは、前記第３制御パルスを照射してから所望の時間後に前記読み出しパルスの照射を停止することを特徴とする量子状態制御方法。 The quantum state control method according to claim 3 , wherein
The third step includes
A fifth step of irradiating the qubit with a second control pulse having a desired pulse width that rotates the quantum state of the qubit by a desired angle after π / (2Δω) after the first control pulse is irradiated; ,
A sixth step of irradiating the qubit with a third control pulse having a desired pulse width that rotates the quantum state of the qubit by a desired angle after π / (2Δω) after the second control pulse is irradiated; ,
With
In the fourth step, the irradiation of the readout pulse is stopped after a desired time from the irradiation of the third control pulse.
前記量子状態検出器は、
前記読み出しパルスに応じてジョセフソン分岐読み出し動作を行うことにより、前記量子ビットの磁束に応じて位相が変化した応答パルスを出力する超伝導量子干渉計と、
前記読み出しパルスが入力される入力端と、
前記超伝導量子干渉計からの応答パルスを出力する出力端と、
前記入力端および前記出力端に接続された前記超伝導量子干渉計を含む共振器と
を備えることを特徴とする量子状態制御方法。 The quantum state control method according to claim 3 or 4 ,
The quantum state detector is
A superconducting quantum interferometer that outputs a response pulse having a phase changed according to the magnetic flux of the qubit by performing a Josephson branch read operation according to the read pulse;
An input terminal to which the readout pulse is input;
An output terminal for outputting a response pulse from the superconducting quantum interferometer;
A quantum state control method comprising: a resonator including the superconducting quantum interferometer connected to the input end and the output end.
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