JP6853141B2 - Superconducting magnetic flux qubit controller - Google Patents
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Description
本発明は、超伝導磁束量子ビットのエネルギー制御をマイクロ波印加で実現するものである。 The present invention realizes energy control of a superconducting magnetic flux qubit by applying microwaves.
超伝導磁束量子ビットのエネルギーはループを貫く磁束により制御される。高速な制御の方法としては、超伝導磁束量子ビットと同一チップ上に広帯域の磁束印加用ラインを用意し、この磁束印加用ラインに流す電流によって磁場を生じさせる方法が多く使われる。 Superconducting magnetic flux The energy of a qubit is controlled by the magnetic flux penetrating the loop. As a high-speed control method, a method in which a wide-band magnetic flux application line is prepared on the same chip as the superconducting magnetic flux qubit and a magnetic field is generated by the current flowing through the magnetic flux application line is often used.
この方法では、オンチップの磁束印加用ラインを用いることから、チップと外部の制御系との間に配線を行うことが必須であり、3次元空洞共振器中に設置した超伝導磁束量子ビットなど、構造的に配線が困難な超伝導磁束量子ビットに対して適用することは困難であった。また、複数の超伝導磁束量子ビットの制御を行う場合には、超伝導磁束量子ビットと同数の磁束印加用ラインが必要になるという課題があった(非特許文献1参照)。 Since this method uses an on-chip magnetic flux application line, it is essential to wire between the chip and the external control system, such as a superconducting flux qubit installed in a three-dimensional cavity resonator. It has been difficult to apply to superconducting flux qubits, which are structurally difficult to wire. Further, when controlling a plurality of superconducting flux qubits, there is a problem that the same number of magnetic flux application lines as those of the superconducting flux qubits are required (see Non-Patent Document 1).
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、構造的に電気的な配線が困難な超伝導磁束量子ビットに対しても高速にエネルギー制御を行うことが可能な制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a control device capable of high-speed energy control even for a superconducting flux qubit whose electrical wiring is structurally difficult. The purpose is.
本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置は、第1のジョセフソン接合を含む第1の超伝導ループ回路と、この第1の超伝導ループ回路と近接配置された周波数可変共振器と、この周波数可変共振器にマイクロ波を印加するマイクロ波発生装置と、前記第1の超伝導ループ回路および前記周波数可変共振器に対して磁場を印加する磁場発生装置とを備え、前記周波数可変共振器は、第2のジョセフソン接合を含む第2の超伝導ループ回路と、この第2の超伝導ループ回路と接続された集中定数型の共振回路とから構成され、前記第1の超伝導ループ回路と前記第2の超伝導ループ回路とは、一部が一体化して形成され、前記第1の超伝導ループ回路は超伝導磁束量子ビットを構成し、この超伝導磁束量子ビットのエネルギーを前記マイクロ波で制御することを特徴とするものである。
また、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置は、第1のジョセフソン接合を含む第1の超伝導ループ回路と、この第1の超伝導ループ回路と近接配置された周波数可変共振器と、この周波数可変共振器にマイクロ波を印加するマイクロ波発生装置と、前記第1の超伝導ループ回路および前記周波数可変共振器に対して磁場を印加する磁場発生装置とを備え、前記周波数可変共振器は、第2のジョセフソン接合を含む第2の超伝導ループ回路と、この第2の超伝導ループ回路と接続された分布定数型の共振回路とから構成され、前記第1の超伝導ループ回路と前記第2の超伝導ループ回路とは、一部が一体化して形成され、前記第1の超伝導ループ回路は超伝導磁束量子ビットを構成し、この超伝導磁束量子ビットのエネルギーを前記マイクロ波で制御することを特徴とするものである。
The superconducting magnetic flux quantum bit controller of the present invention includes a first superconducting loop circuit including a first Josephson junction, a frequency variable resonator arranged in close proximity to the first superconducting loop circuit, and this frequency. The frequency variable resonator includes a microwave generator that applies microwaves to the variable resonator, the first superconducting loop circuit, and a magnetic field generator that applies a magnetic field to the frequency variable resonator. It is composed of a second superconducting loop circuit including a second Josephson junction and a centralized constant type resonance circuit connected to the second superconducting loop circuit, the first superconducting loop circuit and the above. A part of the second superconducting loop circuit is integrally formed, and the first superconducting loop circuit constitutes a superconducting magnetic flux quantum bit, and the energy of the superconducting magnetic flux quantum bit is transferred by the microwave. It is characterized by controlling.
Further, the superconducting magnetic flux quantum bit controller of the present invention includes a first superconducting loop circuit including a first Josephson junction, a frequency variable resonator arranged close to the first superconducting loop circuit, and the like. The frequency variable resonator includes a microwave generator that applies microwaves to the frequency variable resonator, the first superconducting loop circuit, and a magnetic field generator that applies a magnetic field to the frequency variable resonator. Is composed of a second superconducting loop circuit including a second Josephson junction and a distributed constant type resonance circuit connected to the second superconducting loop circuit, and is composed of the first superconducting loop circuit. And the second superconducting loop circuit are partially integrated, and the first superconducting loop circuit constitutes a superconducting magnetic flux quantum bit, and the energy of the superconducting magnetic flux quantum bit is transferred to the micro. It is characterized by being controlled by waves.
また、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置の1構成例において、前記マイクロ波発生装置は、前記周波数可変共振器に前記マイクロ波を照射することを特徴とするものである。
また、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置の1構成例において、前記マイクロ波発生装置は、前記分布定数型の共振回路にマイクロ波電流を供給することにより、前記周波数可変共振器にマイクロ波を印加することを特徴とするものである。
Further , in one configuration example of the superconducting flux qubit control device of the present invention, the microwave generator is characterized in that the frequency variable resonator is irradiated with the microwave.
Further, in one configuration example of the superconducting flux qubit control device of the present invention, the microwave generator supplies microwaves to the frequency variable resonator by supplying a microwave current to the distributed constant type resonant circuit. Is characterized by applying.
また、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置の1構成例は、前記磁場発生装置から印加される磁場によって設定される前記超伝導磁束量子ビットの動作点付近で、前記第2の超伝導ループ回路を貫く磁束に対する前記周波数可変共振器の共鳴角周波数の傾きが0より大きくなるように、前記第1、第2の超伝導ループ回路の寸法が設定されていることを特徴とするものである。
また、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置の1構成例は、前記超伝導磁束量子ビットのエネルギーギャップによって規定される状態のエネルギーに対する前記超伝導磁束量子ビットのエネルギー離調を、前記磁場発生装置から印加される磁場により正または負とすることを特徴とするものである。
Further , in one configuration example of the superconducting magnetic flux quantum bit control device of the present invention, the second superconducting loop is located near the operating point of the superconducting magnetic flux quantum bit set by the magnetic field applied from the magnetic field generator. It is characterized in that the dimensions of the first and second superconducting loop circuits are set so that the inclination of the resonance angle frequency of the frequency variable resonator with respect to the magnetic flux penetrating the circuit becomes larger than 0. ..
Further, in one configuration example of the superconducting flux qubit control device of the present invention, the magnetic field is generated by detuning the energy of the superconducting flux qubit with respect to the energy in the state defined by the energy gap of the superconducting flux qubit. It is characterized in that it is positive or negative depending on the magnetic field applied from the device.
本発明によれば、超伝導磁束量子ビットを構成する第1の超伝導ループ回路と周波数可変共振器とを近接配置して、第1の超伝導ループ回路と周波数可変共振器との相互インダクタンスを大きくし、周波数可変共振器にマイクロ波を印加することで、超伝導磁束量子ビットと周波数可変共振器の相互作用により超伝導磁束量子ビットのエネルギー制御を行う。これにより、本発明では、構造的に電気的な配線が困難な超伝導磁束量子ビットに対しても高速にエネルギー制御を行うことが可能となる。また、本発明では、個々の超伝導磁束量子ビットに制御線を配線した場合に問題となるクロストークやノイズの流入によるデコヒーレンスを抑えたエネルギー制御が可能となる。 According to the present invention, the first superconducting loop circuit constituting the superconducting flux qubit and the frequency variable resonator are arranged close to each other to obtain mutual inductance between the first superconducting loop circuit and the frequency variable resonator. By increasing the size and applying a microwave to the frequency variable resonator, the energy of the superconducting flux qubit is controlled by the interaction between the superconducting flux qubit and the frequency variable resonator. This makes it possible to perform high-speed energy control even for a superconducting magnetic flux qubit, which is structurally difficult to electrically wire. Further, in the present invention, it is possible to perform energy control that suppresses decoherence due to crosstalk and noise inflow, which are problems when a control line is wired to each superconducting flux qubit.
[本発明の特徴と従来の技術との差異]
図1に示すように、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置は、超伝導量子干渉素子(SQUID:Superconducting QUantum Interference Device)10および共振回路11を含む周波数可変共振器1と、周波数可変共振器1にマイクロ波を印加するマイクロ波発生装置2と、被制御対象の超伝導磁束量子ビット3と、超伝導磁束量子ビット3および周波数可変共振器1に対して磁場を印加する磁場発生装置4とから構成されている。
[Differences between the features of the present invention and the prior art]
As shown in FIG. 1, the superconducting flux qubit control device of the present invention includes a
本発明では、被制御対象である超伝導磁束量子ビット3を構成する超伝導ループ回路300(第1の超伝導ループ回路)と、SQUID10を構成する超伝導ループ回路100(第2の超伝導ループ回路)との相互インダクタンスMを大きくし、SQUID10を含む周波数可変共振器1にマイクロ波を照射することで、超伝導磁束量子ビット3と周波数可変共振器1の相互作用により超伝導磁束量子ビット3のエネルギー制御を行う。ここで重要な点は直接的に超伝導磁束量子ビット3の超伝導ループ回路300を貫く磁束の制御を行わずにエネルギー制御を行えるという点である。
In the present invention, the superconducting loop circuit 300 (first superconducting loop circuit) constituting the
被制御対象の超伝導磁束量子ビット3を構成する超伝導ループ回路300は、ループ状の超伝導体に例えば3つのジョセフソン接合301(第1のジョセフソン接合)を有するものである。この超伝導ループ回路300では、ループを貫く磁束の大きさを変えることでエネルギー離調が変化する。従来技術では、同一チップ上に設置した磁束印加用ラインに電流を流し磁場を発生させることでループを貫く磁束を変化させエネルギー離調の制御を行う。超伝導磁束量子ビット3のハミルトニアンHqは、次式のように書ける。
The
ここで、εはエネルギー離調を表し、Δはエネルギーギャップを表す。σx,σzはパウリ演算子である。エネルギー離調εは、超伝導ループ回路300を貫く磁束Φqと以下のような関係がある。 Here, ε represents the energy detuning and Δ represents the energy gap. σ x and σ z are Pauli operators. The energy detuning ε has the following relationship with the magnetic flux Φ q penetrating the superconducting loop circuit 300.
ここで、Ipは超伝導磁束量子ビット3の永久電流を表し、Φ0=h/2eは磁束量子を表す。nは任意の整数である。また、hはプランク定数、eは電気素量である。このハミルトニアンから超伝導磁束量子ビット3のエネルギーEqを求めると、次式のようになる。
Here, I p represents the permanent current of the superconducting
図2は超伝導磁束量子ビット3のエネルギーの磁束依存性を示す図である。図2の横軸は超伝導磁束量子ビット3(超伝導ループ回路300)を貫く磁束、縦軸は超伝導磁束量子ビット3の周波数(エネルギーEqをプランク定数hで割った値)である。式(3)より、磁束の印加で超伝導磁束量子ビット3のエネルギーが制御可能なことが分かる。
FIG. 2 is a diagram showing the magnetic flux dependence of the energy of the superconducting
上記のとおり、周波数可変共振器1は、SQUID10と、SQUID10と接続された共振回路11とから構成される。SQUID10を構成する超伝導ループ回路100は、ループ状の超伝導体に例えば2つのジョセフソン接合101(第2のジョセフソン接合)を有するものである。共振回路11は、インダクタやキャパシタ等の回路要素からなる集中定数型または分布定数型の共振回路から構成される。SQUID10のインダクタンスLsは、SQUID10を構成する超伝導ループ回路100を貫く磁束Φsに対し以下のように変化する。
As described above, the
ここで、IcはSQUID10を構成するジョセフソン接合101の臨界電流である。そのため、SQUID10を含む共振器は、外部から印加する磁束により制御可能な周波数可変共振器1として働く。図3は周波数可変共振器1の共鳴周波数が、SQUID10(超伝導ループ回路100)を貫く磁束に対してどのように変化するかを示す図である。SQUID10を含む周波数可変共振器1のハミルトニアンHrは、次式のように記述することができる。
Here, I c is the critical current of the Josephson
ここで、h’=h/2πである。ω(Φs)は超伝導ループ回路100を貫く磁束により制御される周波数可変共振器1の中心角周波数である。a,a†はそれぞれ周波数可変共振器1中の光子の消滅演算子、生成演算子である。超伝導磁束量子ビット3とSQUID10を含む周波数可変共振器1とから構成される系全体のハミルトニアンHを書き下すと以下のようになる。
Here, h'= h / 2π. ω (Φ s ) is the central angle frequency of the
ここで、式(6)の右辺第1項は超伝導磁束量子ビット3のハミルトニアン、右辺第2項はSQUID10を含む周波数可変共振器1のハミルトニアンである。超伝導磁束量子ビット3の量子状態は、超伝導ループ回路300を左(右)向きに流れる電流状態|L(R)>によって構成される。超伝導磁束量子ビット3を構成する超伝導ループ回路300と周波数可変共振器1のSQUID10を構成する超伝導ループ回路100とは相互インダクタンスMを持つため、超伝導ループ回路300を流れる電流は超伝導ループ回路100を貫く磁束ΦSを変化させる。そのため、超伝導磁束量子ビット3の量子状態に対応して、周波数可変共振器1の中心周波数は変化する。この場合の磁束の変化ΔΦsは以下のように記述できる。
Here, the first term on the right side of the equation (6) is the Hamiltonian of the superconducting
通常の場合、周波数可変共振器1の制御には磁束量子Φ0程度の大きさの磁束を用いるが、超伝導磁束量子ビット3の制御には磁束量子Φ0の1/1000程度の磁束を用いる。そのため、本発明の目的である超伝導磁束量子ビット3のエネルギー制御を行う範囲内では、周波数可変共振器1の周波数変化は線形と見なしてよく、系全体のハミルトニアンを1次までの範囲で展開することで以下のように変形することができる。
For usually used flux of flux quantum [Phi 0 about the size of the control
ここで、Φs 0は超伝導磁束量子ビット3からの影響がない場合にSQUID10の超伝導ループ回路100を貫く磁束であり、2h’MIp(dω/dΦs)=δεとした。この式から分かるように、超伝導磁束量子ビット3の永久電流Ipの値、超伝導磁束量子ビット3とSQUID10との相互インダクタンスMおよび周波数可変共振器1の共鳴角周波数の傾きdω/dΦsを変えることによって、エネルギー離調の光子数a†aに対する感度を変えることができる。
Here, Φ s 0 is a magnetic flux penetrating the
また、超伝導磁束量子ビット3はΦ0(n+1/2)付近の磁束が動作点となるが、本発明の手法でエネルギー制御を行うためにはその動作点付近で周波数可変共振器1の共鳴角周波数の傾きdω/dΦsが大きくなるように素子を設計する。具体的には、磁場発生装置4から印加される外部磁場によって設定される超伝導磁束量子ビット3の動作点付近で、超伝導ループ回路100を貫く磁束Φsに対する周波数可変共振器1の共鳴角周波数の傾きdω/dΦsが0より大きくなるように、超伝導ループ回路100,300の寸法(面積)を設定すればよい。
上記のハミルトニアンから超伝導磁束量子ビット3のエネルギー固有値Eを求めると、次式のようになる。
Further, the operating point of the
When the energy eigenvalue E of the superconducting
ここで、演算子a†aの期待値<a†a>は周波数可変共振器1中の光子の数である。エネルギー離調εとδεが同符号の場合、周波数可変共振器1内の光子数が増加するに従い、超伝導磁束量子ビット3のエネルギー離調は増加する。反対に、エネルギー離調εとδεが異符号の場合、周波数可変共振器1内の光子数が増加するに従い、超伝導磁束量子ビット3のエネルギー離調は減少する。
Here, the expected value <a † a> of the operator a † a is the number of photons in the
また、式(9)で|ε|≫Δの条件が成り立つ場合には、超伝導磁束量子ビット3のエネルギー固有値Eは、周波数可変共振器1内の光子数に対して線形に増加する。周波数可変共振器1内の光子数は、マイクロ波照射量を制御することで調整することができる。
Further, when the condition of | ε | >> Δ is satisfied in the equation (9), the energy eigenvalue E of the
以上のように本発明を用いることで、周波数可変共振器1へのマイクロ波照射量を制御し、周波数可変共振器1内の光子数を制御することで、超伝導磁束量子ビット3のエネルギー制御が可能となる。そのため、従来技術で用いられていた磁束印加用ラインを用いず、マイクロ波を空間を通じて伝搬させるのみでエネルギー制御が行える。この特徴を利用することで、構造的に配線を行うことの難しい超伝導磁束量子ビットに対しても高速エネルギー制御を行うことが可能となる。
By using the present invention as described above, the amount of microwave irradiation to the
また、従来技術ではエネルギー制御のために個々の超伝導磁束量子ビットに制御線が必要であったのに対し、本発明では異なる共鳴周波数の周波数可変共振器1を個々の超伝導磁束量子ビット3に結合することで、周波数空間での制御対象となる超伝導磁束量子ビット3のアドレスが可能となる。これにより、マイクロ波照射の周波数を変えることで複数の超伝導磁束量子ビット3の制御が可能となる。
Further, in the prior art, a control line was required for each superconducting flux qubit for energy control, whereas in the present invention, a
従来技術として、周波数可変でない共振器によるACシュタルクシフトを用いて超伝導磁束量子ビットのエネルギー制御を行う方法が知られている(文献「Alexandre Blais,Ren-Shou Huang,Andreas Wallraff,S.M.Girvin,and R.J.Schoelkopf,“Cavity quantum electrodynamics for superconducting electrical circuits:An architecture for quantum computation”,PHYSICAL REVIEW A 69,062320,2004」)。この手法は、共振器と超伝導磁束量子ビットの共鳴周波数が比較的近い(周波数差が結合定数gの数倍から数十倍程度)場合に有効である。周波数非可変共振器と超伝導磁束量子ビットの結合系のハミルトニアンは、次式で記述される。 As a prior art, a method of controlling the energy of a superconducting flux qubit by using an AC stark shift with a non-variable frequency resonator is known (references "Alexandre Blais, Ren-Shou Huang, Andreas Wallraff, SMGirvin, and". RJSchoelkopf, “Cavity quantum electrodynamics for superconducting electrical circuits: An architecture for quantum computation”, PHYSICAL REVIEW A 69, 062320, 2004 ”). This method is effective when the resonance frequencies of the resonator and the superconducting flux qubit are relatively close (frequency difference is about several times to several tens of times the coupling constant g). The Hamiltonian of the coupling system of the frequency non-variable resonator and the superconducting flux qubit is described by the following equation.
ここで、ωqは超伝導磁束量子ビットの共鳴角周波数、ωrは周波数非可変共振器の共鳴周波数、σ+,σ-は超伝導磁束量子ビットの昇降演算子である。このとき、周波数非可変共振器と超伝導磁束量子ビットのエネルギー差ωq−ωrが結合定数gに比べて十分に大きい場合には、以下に示す分散型近似ハミルトニアンが得られる。 Here, ω q is the resonance angular frequency of the superconducting flux qubit, ω r is the resonance frequency of the frequency non-variable resonator, and σ + and σ - are the ladder operators of the superconducting flux qubit. At this time, when the energy difference ω q −ω r between the frequency non-variable resonator and the superconducting flux qubit is sufficiently larger than the coupling constant g, the following distributed approximate Hamiltonian can be obtained.
そのため、マイクロ波照射により周波数非可変共振器内にマイクロ波光子を送り込むことで、超伝導磁束量子ビットの周波数をωqからωq+2{g2/(ωq−ωr)}<a†a>に変化させることができる。ここで<a†a>は周波数非可変共振器内のマイクロ波光子の数である。しかしながら、従来技術では、g<a†a>が周波数非可変共振器と超伝導磁束量子ビットの間のエネルギー差ωq−ωrよりも大きくなると、上で述べた分散型近似が破れてしまい、ACシュタルクシフトによるエネルギー調整を行うことができない。このため、従来技術ではマイクロ波印加によるエネルギーの調整は数MHzから数十MHzのオーダーでしか行うことができなかった。 Therefore, by feeding the microwaves photon frequency non-variable resonator by microwave irradiation, a superconducting flux quantum frequencies bits from ω q ω q +2 {g 2 / (ω q -ω r)} <a † It can be changed to a>. Here, <a † a> is the number of microwave photons in the frequency non-variable resonator. However, in the prior art, when g <a † a> becomes larger than the energy difference ω q −ω r between the frequency non-variable resonator and the superconducting flux qubit, the distributed approximation described above is broken. , Energy adjustment by AC Stark shift cannot be performed. Therefore, in the prior art, the energy adjustment by applying microwaves can be performed only on the order of several MHz to several tens of MHz.
これに対し、本発明には従来技術の分散型近似に起因する制約がないため、マイクロ波印加を用いてGHzオーダーで超伝導磁束量子ビット3の周波数制御を行うことが可能である。
On the other hand, since the present invention has no restrictions due to the distributed approximation of the prior art, it is possible to control the frequency of the
[第1の実施例]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図4は本発明の第1の実施例に係る超伝導磁束量子ビット制御装置の構成を示す図である。本実施例では、SQUIDを含む集中定数型LC共振器を用い、超伝導磁束量子ビットのエネルギー制御を行う例を示す。本実施例の超伝導磁束量子ビット制御装置は、SQUID10aおよび共振回路11aを含む周波数可変共振器1aと、マイクロ波発生装置2aと、超伝導磁束量子ビット3aと、磁場発生装置4とから構成されている。
[First Example]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a superconducting magnetic flux qubit control device according to the first embodiment of the present invention. In this embodiment, an example in which energy control of a superconducting flux qubit is performed using a lumped constant LC resonator including SQUID is shown. The superconducting flux qubit control device of this embodiment includes a frequency variable resonator 1a including a
SQUID10aを構成する超伝導ループ回路100と超伝導磁束量子ビット3aを構成する超伝導ループ回路300とは、同一の基板上に形成されている。図4の例では、超伝導ループ回路100と同一の面内に、超伝導ループ回路300が超伝導ループ回路100の内側に位置するように形成されている。図1と同様に、SQUID10aを構成する超伝導ループ回路100は、ループ状の超伝導体に例えば2つのジョセフソン接合101を有する。超伝導磁束量子ビット3aを構成する超伝導ループ回路300は、ループ状の超伝導体に例えば3つのジョセフソン接合301を有する。
The
共振回路11aは、インダクタLとキャパシタCの直列回路からなる集中定数型のLC共振回路である。周波数可変共振器1aは、インダクタLとキャパシタCとに直列にSQUID10aを挿入することで構成される。すなわち、共振回路11aの一端(図4の例ではキャパシタCの端子)が超伝導ループ回路100の一点に接続され、共振回路11aの他端(図4の例ではインダクタLの端子)が超伝導ループ回路100の別の一点に接続されている。
The resonance circuit 11a is a lumped constant type LC resonance circuit including a series circuit of the inductor L and the capacitor C. The frequency variable resonator 1a is configured by inserting the
本実施例のマイクロ波発生装置2aは、周波数可変共振器1aにマイクロ波を照射するマイクロ波照射アンテナ200と、マイクロ波照射アンテナ200にマイクロ波電流を供給する電源(不図示)とから構成される。
The
周波数可変共振器1aおよび超伝導磁束量子ビット3aに対して磁場発生装置4から一定の磁場が印加される。ここで、磁場発生装置4から印加する外部磁場によりエネルギー離調εを正とした条件(超伝導ループ回路300を貫く磁束Φq=0.5025)の下で、マイクロ波発生装置2aから周波数可変共振器1aに対してマイクロ波を照射した場合の超伝導磁束量子ビット3aのエネルギーを図5(A)に示す。また、磁場発生装置4から印加する外部磁場によりエネルギー離調εを負とした条件(超伝導ループ回路300を貫く磁束Φq=0.4975)の下で、マイクロ波発生装置2aから周波数可変共振器1aに対してマイクロ波を照射した場合の超伝導磁束量子ビット3aのエネルギーを図5(B)に示す。図5(A)、図5(B)の横軸は周波数可変共振器1aに照射するマイクロ波の周波数、縦軸は超伝導磁束量子ビット3aの周波数(エネルギーEqをプランク定数hで割った値)である。
A constant magnetic field is applied from the
図5(A)では、周波数可変共振器1aに印加するマイクロ波が周波数可変共振器1aに共鳴する(〜3.5GHz)、すなわち周波数可変共振器1a中のマイクロ波光子数が増加すると、超伝導磁束量子ビット3aの共鳴周波数が〜5.3GHzから増加している様子が分かる。また、図5(B)では、周波数可変共振器1a中のマイクロ波光子数が増加すると、超伝導磁束量子ビット3aの共鳴周波数が〜5.2GHzから減少している様子が分かる。すなわち、エネルギー離調εの正負により、超伝導磁束量子ビット3aのエネルギーを正または負の方向に制御できることが分かる。
In FIG. 5A, when the microwave applied to the frequency variable resonator 1a resonates with the frequency variable resonator 1a (~ 3.5 GHz), that is, when the number of microwave photons in the frequency variable resonator 1a increases, it becomes super. It can be seen that the resonance frequency of the conduction magnetic
上記と同様に、磁場発生装置4から印加する外部磁場によりエネルギー離調εを正とした条件(磁束Φq=0.5025)の下で、マイクロ波発生装置2aから周波数可変共振器1aに対して照射するマイクロ波の強度を調節することにより周波数可変共振器1a内の光子数を制御した場合の超伝導磁束量子ビット3aのエネルギーを図6(A)に示す。また、磁場発生装置4から印加する外部磁場によりエネルギー離調εを負とした条件(磁束Φq=0.4975)の下で、マイクロ波発生装置2aから周波数可変共振器1aに対して照射するマイクロ波の強度を調節することにより周波数可変共振器1a内の光子数を制御した場合の超伝導磁束量子ビット3aのエネルギーを図6(B)に示す。図6(A)、図6(B)の横軸は周波数可変共振器1aに照射するマイクロ波の強度、縦軸は超伝導磁束量子ビット3aの周波数(エネルギーEqをプランク定数hで割った値)である。
Similar to the above, under the condition that the energy detuning ε is positive by the external magnetic field applied from the magnetic field generator 4 (magnetic flux Φ q = 0.5025), the
図6(A)、図6(B)によれば、エネルギーギャップΔに対してエネルギー離調εが十分大きい領域(例えばエネルギーギャップΔに対してエネルギー離調εが3倍以上)では、周波数可変共振器1a内の光子数に対して線形に超伝導磁束量子ビット3aのエネルギーを制御できることが分かる。また、従来型のACシュタルクシフトを用いた手法とは異なり、超伝導磁束量子ビット3aのエネルギーを1GHz以上変化させることが可能であることも分かる。
According to FIGS. 6A and 6B, the frequency is variable in a region where the energy detuning ε is sufficiently large with respect to the energy gap Δ (for example, the energy detuning ε is 3 times or more with respect to the energy gap Δ). It can be seen that the energy of the
なお、本実施例では、SQUID10aを構成する超伝導ループ回路100と超伝導磁束量子ビット3aを構成する超伝導ループ回路300とが別体に形成される例を説明したが、これに限るものではなく、図7に示すように超伝導ループ回路100と超伝導ループ回路300の一部を一体化してもよい。一体化する箇所は、ジョセフソン接合101,301が形成されていない箇所であれば、どこでも構わない。超伝導ループ回路100と超伝導ループ回路300の一部を一体化することで、超伝導ループ回路100と超伝導ループ回路300の相互インダクタンスMを増加させることができる。
In this embodiment, an example in which the
[第2の実施例]
次に、本発明の第2の実施例について説明する。図8は本発明の第2の実施例に係る超伝導磁束量子ビット制御装置の構成を示す図である。本実施例では、SQUIDを含む分布定数型伝送線路共振器を用い、超伝導磁束量子ビットのエネルギー制御を行う例を示す。本実施例の超伝導磁束量子ビット制御装置は、SQUID10bおよび共振回路11bを含む周波数可変共振器1bと、マイクロ波発生装置2bと、超伝導磁束量子ビット3bと、磁場発生装置4とから構成されている。
[Second Example]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a superconducting magnetic flux qubit control device according to a second embodiment of the present invention. In this embodiment, an example in which energy control of a superconducting magnetic flux qubit is performed using a distributed constant type transmission line resonator including SQUID is shown. The superconducting flux qubit control device of this embodiment includes a frequency variable resonator 1b including a
SQUID10bを構成する超伝導ループ回路100と超伝導磁束量子ビット3bを構成する超伝導ループ回路300とは、同一の基板上に形成されている。図4と同様に、図8の例では、超伝導ループ回路100と同一の面内に、超伝導ループ回路300が超伝導ループ回路100の内側の位置するように形成されている。
The
共振回路11bは、1/4波長のコプレーナ導波路CPWと、複数の分布定数線路をインターデジタル型に配置して構成されたキャパシタC2からなる分布定数型の伝送線路共振回路である。周波数可変共振器1bは、コプレーナ導波路CPWとキャパシタC2とに直列にSQUID10bを挿入することで構成される。共振回路11bの一端(図8の例ではコプレーナ導波路CPWの一端)が超伝導ループ回路100の一点に接続され、共振回路11bの他端(図8の例ではキャパシタC2の端子)がマイクロ波発生装置2bに接続されている。また、超伝導ループ回路100の別の一点が接地されている。
The resonant circuit 11b is a distributed constant type transmission line resonant circuit composed of a 1/4 wavelength coplanar waveguide CPW and a capacitor C2 configured by arranging a plurality of distributed constant lines in an interdigital manner. The frequency variable resonator 1b is configured by inserting the
本実施例のマイクロ波発生装置2bは、共振回路11bの他端にマイクロ波電流を供給することで、周波数可変共振器1bにマイクロ波を印加する。
The
相互インダクタンスM等の素子のパラメータは設計により様々に変化させることができるが、第1の実施例と同等のパラメータを用いた場合、周波数可変共振器1bにマイクロ波を印加した場合の超伝導磁束量子ビット3bの挙動は第1の実施例と同じになる(図5(A)、図5(B)、図6(A)、図6(B))。したがって、分布定数型の共振回路11bを用いた場合にも超伝導磁束量子ビット3bのエネルギーを1GHz以上変化させることが可能となる。 The parameters of the element such as the mutual inductance M can be changed variously depending on the design, but when the same parameters as those in the first embodiment are used, the superconducting magnetic flux when a microwave is applied to the frequency variable resonator 1b. The behavior of the quantum bit 3b is the same as that of the first embodiment (FIGS. 5 (A), 5 (B), 6 (A), 6 (B)). Therefore, even when the distributed constant type resonance circuit 11b is used, the energy of the superconducting magnetic flux qubit 3b can be changed by 1 GHz or more.
本実施例においても、第1の実施例と同様に、SQUID10bを構成する超伝導ループ回路100と超伝導磁束量子ビット3bを構成する超伝導ループ回路300の一部を一体化して、超伝導ループ回路100と超伝導ループ回路300の相互インダクタンスMを増加させるようにしてもよい。
In this embodiment as well, similarly to the first embodiment, a part of the
本発明は、超伝導磁束量子ビットのエネルギーを制御する技術に適用することができる。 The present invention can be applied to a technique for controlling the energy of a superconducting magnetic flux qubit.
1,1a,1b…周波数可変共振器、2,2a,2b…マイクロ波発生装置、3,3a,3b…超伝導磁束量子ビット、4…磁場発生装置、10,10a,10b…超伝導量子干渉素子、11,11a,11b…共振回路、100,300…超伝導ループ回路、101,301…ジョセフソン接合、200…マイクロ波照射アンテナ、L…インダクタ、C,C2…キャパシタ、CPW…コプレーナ導波路。 1,1a, 1b ... Frequency variable resonator, 2,2a, 2b ... Microwave generator, 3,3a, 3b ... Superconducting flux qubit, 4 ... Magnetic field generator, 10,10a, 10b ... Superconducting quantum interference Elements, 11, 11a, 11b ... Resonant circuit, 100, 300 ... Superconducting loop circuit, 101, 301 ... Josephson junction, 200 ... Microwave irradiation antenna, L ... inductor, C, C2 ... Capacitor, CPW ... Coplanar waveguide ..
Claims (6)
この第1の超伝導ループ回路と近接配置された周波数可変共振器と、
この周波数可変共振器にマイクロ波を印加するマイクロ波発生装置と、
前記第1の超伝導ループ回路および前記周波数可変共振器に対して磁場を印加する磁場発生装置とを備え、
前記周波数可変共振器は、
第2のジョセフソン接合を含む第2の超伝導ループ回路と、
この第2の超伝導ループ回路と接続された集中定数型の共振回路とから構成され、
前記第1の超伝導ループ回路と前記第2の超伝導ループ回路とは、一部が一体化して形成され、
前記第1の超伝導ループ回路は超伝導磁束量子ビットを構成し、この超伝導磁束量子ビットのエネルギーを前記マイクロ波で制御することを特徴とする超伝導磁束量子ビット制御装置。 A first superconducting loop circuit, including a first Josephson junction,
This first superconducting loop circuit and the frequency variable resonator placed in close proximity to it,
A microwave generator that applies microwaves to this variable frequency resonator,
It includes the first superconducting loop circuit and a magnetic field generator that applies a magnetic field to the frequency variable resonator.
The frequency variable resonator is
A second superconducting loop circuit, including a second Josephson junction,
It is composed of this second superconducting loop circuit and a lumped constant type resonant circuit connected to it.
The first superconducting loop circuit and the second superconducting loop circuit are partially integrally formed.
The first superconducting loop circuit constitutes a superconducting flux qubit, and is a superconducting flux qubit control device characterized in that the energy of the superconducting flux qubit is controlled by the microwave.
この第1の超伝導ループ回路と近接配置された周波数可変共振器と、This first superconducting loop circuit and the frequency variable resonator placed in close proximity to it,
この周波数可変共振器にマイクロ波を印加するマイクロ波発生装置と、A microwave generator that applies microwaves to this variable frequency resonator,
前記第1の超伝導ループ回路および前記周波数可変共振器に対して磁場を印加する磁場発生装置とを備え、It includes the first superconducting loop circuit and a magnetic field generator that applies a magnetic field to the frequency variable resonator.
前記周波数可変共振器は、The frequency variable resonator is
第2のジョセフソン接合を含む第2の超伝導ループ回路と、A second superconducting loop circuit, including a second Josephson junction,
この第2の超伝導ループ回路と接続された分布定数型の共振回路とから構成され、It is composed of this second superconducting loop circuit and a distributed constant type resonant circuit connected to it.
前記第1の超伝導ループ回路と前記第2の超伝導ループ回路とは、一部が一体化して形成され、The first superconducting loop circuit and the second superconducting loop circuit are partially integrally formed.
前記第1の超伝導ループ回路は超伝導磁束量子ビットを構成し、この超伝導磁束量子ビットのエネルギーを前記マイクロ波で制御することを特徴とする超伝導磁束量子ビット制御装置。The first superconducting loop circuit constitutes a superconducting flux qubit, and is a superconducting flux qubit control device characterized in that the energy of the superconducting flux qubit is controlled by the microwave.
前記マイクロ波発生装置は、前記周波数可変共振器に前記マイクロ波を照射することを特徴とする超伝導磁束量子ビット制御装置。 In the superconducting magnetic flux qubit control device according to claim 1.
The microwave generator is a superconducting magnetic flux qubit control device characterized by irradiating the frequency variable resonator with the microwave.
前記マイクロ波発生装置は、前記分布定数型の共振回路にマイクロ波電流を供給することにより、前記周波数可変共振器にマイクロ波を印加することを特徴とする超伝導磁束量子ビット制御装置。 In the superconducting magnetic flux qubit control device according to claim 2.
The microwave generator is a superconducting flux qubit control device, characterized in that a microwave is applied to the frequency variable resonator by supplying a microwave current to the distributed constant type resonant circuit.
前記磁場発生装置から印加される磁場によって設定される前記超伝導磁束量子ビットの動作点付近で、前記第2の超伝導ループ回路を貫く磁束に対する前記周波数可変共振器の共鳴角周波数の傾きが0より大きくなるように、前記第1、第2の超伝導ループ回路の寸法が設定されていることを特徴とする超伝導磁束量子ビット制御装置。 In the superconducting magnetic flux qubit control device according to any one of claims 1 to 4.
In the vicinity of the operating point of the superconducting magnetic flux quantum bit set by the magnetic field applied from the magnetic field generator, the inclination of the resonance angle frequency of the frequency variable resonator with respect to the magnetic flux penetrating the second superconducting loop circuit is 0. A superconducting magnetic flux quantum bit control device, characterized in that the dimensions of the first and second superconducting loop circuits are set so as to be larger.
前記超伝導磁束量子ビットのエネルギーギャップによって規定される状態のエネルギーに対する前記超伝導磁束量子ビットのエネルギー離調を、前記磁場発生装置から印加される磁場により正または負とすることを特徴とする超伝導磁束量子ビット制御装置。 In the superconducting magnetic flux qubit control device according to any one of claims 1 to 5.
The superconducting flux qubit is characterized in that the energy detuning of the superconducting flux qubit with respect to the energy in the state defined by the energy gap of the superconducting flux qubit is positive or negative depending on the magnetic field applied from the magnetic field generator. Conductive flux qubit controller.
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