JP6936313B2 - 量子ビット読み出しのための増幅器周波数マッチング - Google Patents

量子ビット読み出しのための増幅器周波数マッチング Download PDF

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Description

本開示は、量子ビット読み出しのための増幅器周波数マッチングに関する。
量子計算は、ある計算を古典的デジタルコンピュータよりも効率良く行うために、基礎状態の重ね合わせおよびエンタングルメントなどの量子効果を利用する比較的新しい計算方法である。ビット(例えば、「1」または「0」)の形で情報を記憶し、操作する、デジタルコンピュータと対照的に、量子計算システムは、量子ビットを使用して情報を操作することができる。量子ビットは、多重状態の重ね合わせ(例えば、「0」および「1」の両方の状態にあるデータ)を可能にする量子デバイスおよび/またはそれ自体多重状態にあるデータの重ね合わせを指すこともある。従来の専門用語に従うと、量子系における「0」および「1」状態の重ね合わせは、例えばα|0> +β|1>と表されることもある。デジタルコンピュータの「0」および「1」状態は、量子ビットのそれぞれ|0>および|1>基礎状態に類似している。値|α|2は、量子ビットが|0>基礎状態にある確率を表し、一方、値|β|2は、量子ビットが|1>基礎状態にある確率を表す。
断熱量子計算としてもまた知られている、量子アニーリングは、計算問題が複数の量子ビット間での相互作用において符号化される量子計算への手法である。符号化された計算問題は、問題ハミルトニアン(Hamiltonian)Hpと呼ばれる。符号化量子ビットの集合は、符号化問題に対する解を代表する最終ハミルトニアンHfの最低エネルギー構成までゆっくりアニールされる。このモデルは時々、量子計算の断熱モデルと呼ばれることもある。
T. C. White他、「Traveling wave parametric amplifier with Josephson junctions using minimal resonator phase matching」、Applied Physics Letters、Vol. 106、242601-1頁〜242601-5頁(2015) Jeffrey他、「Fast Accurate State Measurement with Superconducting Qubits」、Phys. Rev. Lett. Vol. 112、190504-1頁〜190504-5頁(2014)
本開示は、量子ビット読み出しのための増幅器周波数マッチングに関する。一般に、いくつかの態様では、本開示は、測定共振器と増幅器との間の出力信号ラインに周波数フィルタを含むことによって、かつ反射信号の周波数がフィルタのフィルタ周波数範囲の外側になるようにポンプトーン周波数を変更することによって、量子ビットおよび測定共振器を反射増幅器ポンプ信号から保護することをカバーする。
一般に、いくつかの態様では、本開示の主題は、量子ビットと、量子ビットに結合される読み出しデバイスであって、読み出しデバイスは、フィルタ周波数範囲を有する周波数フィルタを含む、読み出しデバイスと、読み出しデバイスに結合される増幅器デバイスであって、増幅器デバイスは、周波数フィルタのフィルタ周波数範囲の外側であるポンプ周波数を有するポンプ信号を受け取ると、読み出しデバイスからの測定信号を増幅するように構成されてもよい、増幅器デバイスとを含む、量子計算デバイスにおいて具体化されてもよい。
量子計算デバイスの実施は、次の特徴の1つまたは複数を含んでもよい。例えば、いくつかの実施では、ポンプ周波数は、少なくとも約10MHzだけ周波数フィルタの上側カットオフ周波数を上回るまたは周波数フィルタの下側カットオフ周波数を下回ってもよい。
いくつかの実施では、ポンプ周波数は、少なくとも約100MHzだけ周波数フィルタの上側カットオフ周波数を上回るまたは周波数フィルタの下側カットオフ周波数を下回ってもよい。
いくつかの実施では、周波数フィルタは、少なくとも3dBだけポンプ周波数における信号を減衰させるように動作可能であってもよい。周波数フィルタは、少なくとも10dBだけポンプ周波数における信号を減衰させるように動作可能であってもよい。
いくつかの実施では、増幅器デバイスは、進行波パラメトリック増幅器(TWPA)を含む。TWPAは、ジョセフソン接合TWPAを含んでもよい。TWPAは、運動インダクタンスTWPAを含んでもよい。
いくつかの実施では、読み出しデバイスは、測定共振器を含む。周波数フィルタのフィルタ周波数範囲は、測定共振器の動作周波数に重なってもよい。量子ビットの動作周波数は、周波数フィルタのフィルタ周波数範囲の外側であってもよい。量子ビットおよび周波数フィルタの各々は、測定共振器の共通ノードに結合されてもよい。測定共振器は、第1のコプレーナ導波路共振器を含んでもよく、周波数フィルタは、第2のコプレーナ導波路共振器を含んでもよい。第2のコプレーナ導波路共振器は、半波長(λ/2)または4分の1波長(λ/4)コプレーナ導波路共振器を含んでもよい。
いくつかの実施では、量子デバイスは、基板をさらに含み、その場合量子ビットデバイス、読み出しデバイスおよび増幅器デバイスは、基板上に集積される。
いくつかの実施では、量子デバイスは、増幅器デバイスに結合され、ポンプ信号を増幅器デバイスに提供するように動作可能である、ポンプ周波数発生器をさらに含む。
いくつかの実施では、周波数フィルタは、帯域通過フィルタ、ローパスフィルタ、またはハイパスフィルタを含む。
一般に、いくつかの他の態様では、本開示の主題は、量子ビットの状態を測定する方法において具体化されてもよく、その場合本方法は、量子ビットの状態を示す測定信号を読み出しデバイスから作成するために、量子ビットに結合されてもよい読み出しデバイスにプローブ信号を適用するステップであって、読み出しデバイスは、フィルタ周波数範囲を有する周波数フィルタを備える、ステップと、増幅器デバイスが、測定信号を増幅するように、測定信号を読み出しデバイスから受け取るために配置される増幅器デバイスにポンプ信号を伝送するステップであって、ポンプ信号は、フィルタ周波数範囲の外側であるポンプ周波数を有する、ステップと、増幅された測定信号を検出するステップとを含む。
本方法の実施は、次の特徴の1つまたは複数を含んでもよい。例えば、いくつかの実施では、ポンプ周波数は、少なくとも約10MHzだけ周波数フィルタの上側カットオフ周波数を上回るまたは周波数フィルタの下側カットオフ周波数を下回ってもよい。
いくつかの実施では、ポンプ周波数は、少なくとも約100MHzだけ周波数フィルタの上側カットオフ周波数を上回るまたは周波数フィルタの下側カットオフ周波数を下回ってもよい。
いくつかの実施では、周波数フィルタは、少なくとも約3dBだけポンプ周波数における信号を減衰させる。周波数フィルタは、少なくとも約10dBだけポンプ周波数における信号を減衰させてもよい。
いくつかの実施では、フィルタ周波数範囲は、測定信号の周波数に重なる。
いくつかの実施では、量子ビットの動作周波数は、フィルタ周波数範囲の外側であってもよい。
いくつかの実施では、フィルタ周波数範囲の帯域幅は、約200MHzであってもよい。
いくつかの実施では、周波数フィルタは、増幅器デバイスからの反射ポンプ信号を減衰させる。
いくつかの実施では、周波数フィルタは、帯域通過フィルタ、ローパスフィルタ、またはハイパスフィルタを含む。
一般に、別の態様では、本開示の主題は、量子ビットと、量子ビットに結合される読み出しデバイスであって、読み出しデバイスは、フィルタ周波数範囲を有する周波数フィルタを含む、読み出しデバイスと、読み出しデバイスに結合される増幅器デバイスであって、周波数フィルタは、周波数フィルタに向かって増幅器デバイスから反射される信号を減衰させるように構成され、反射信号は、フィルタ周波数範囲の外側である周波数を有する、増幅器デバイスとを含む、量子計算デバイスにおいて具体化されてもよい。
実施は、次の利点の1つまたは複数を含んでもよい。例えば、いくつかの実施では、周波数フィルタの通過帯域の外側である周波数において動作するように増幅器のポンプ信号を選択することによって、フィルタは、量子ビットを反射ポンプトーンから効果的に保護することができる。いくつかの実施では、増幅器の帯域幅は、増幅器がなお、測定読み出しデバイスから得られる信号を含む、ポンプトーンから離れた信号を増幅することができるほどに十分大きくてもよい。
この開示のために、超伝導体(別法として、超伝導)材料は、超伝導臨界温度以下で超伝導特性を示す材料として理解されてもよい。超伝導体材料の例は、アルミニウム(例えば、1.2ケルビンの超伝導臨界温度)、ニオブ(例えば、9.3ケルビンの超伝導臨界温度)および窒化チタン(例えば、5.6ケルビンの超伝導臨界温度)を含むが、しかしそれらに限定されない。
1つまたは複数の実施の詳細は、添付の図面および以下の記述において説明される。他の特徴および利点は、記述、図面、および請求項から明らかであろう。
進行波パラメトリック増幅器に結合される量子ビットの例を示す回路概略図である。 進行波パラメトリック増幅器(TWPA)の例を示す回路図である。 TWPAに結合される量子ビット/測定共振器の例を示す回路概略図である。 量子ビットおよび測定共振器に結合される周波数フィルタの例となる配置を示す集中素子回路概略図である。 複数の量子ビットおよび共振器に結合される周波数フィルタの例となる実施を示す概略図である。 図5に示されるデバイスレイアウトの例となる透過スペクトルS21のプロットである。 周波数フィルタおよびTWPA増幅器の両方を含む例となる回路を示す概略図である。 図7に示される回路についての透過スペクトルの例を示すプロットである。
超伝導体量子ビットの読み出しは、超伝導体量子ビットと超伝導体読み出しデバイス(例えば、測定共振器)との間の分散型相互作用を使用して成し遂げられてもよい。例えば、プローブトーンが、発生されてもよく、超伝導体量子ビットの状態/周波数に依存する位相シフトを測定するために、超伝導体測定読み出しデバイスの周波数をサンプリングする。しかしながら、場合によっては、測定読み出しデバイスから得られる信号は、出力ラインにわたって減衰されることもあり、信号対雑音比を減少させ、測定をより困難にする。信号対雑音比を改善するために、増幅器が、測定読み出しデバイスの出力に置かれてもよい。出力信号を高めるために使用されてもよい増幅器の例は、進行波パラメトリック増幅器(TWPA)である。TWPAは、比較的高い帯域幅、ダイナミックレンジおよび飽和出力を提供し、それ故に潜在的に周波数多重化および従って超伝導体量子プロセッサのスケーリングの改善を可能にする。
図1は、TWPA102に結合される量子ビット/測定共振器100の例を示す回路概略図である。読み出し測定を行うとき、ポンプトーンが、信号発生器104によって発生され、結合器101において量子ビット/測定共振器100と増幅器102との間の信号ラインに誘導結合されてもよい。結合器101は、多くの信号が、ポンプラインに失われないように、例えばポンプトーンを信号経路に結合する方向性結合器として知られている別個のマイクロ波コンポーネントを含んでもよい。
図1における要素100は、量子ビットおよび測定共振器の両方を表す。ポンプトーン、および測定共振器からの出力信号を受け取った後、増幅器102は、出力信号を増幅し、増幅された出力信号をアナログ/デジタル変換器(ADC)106に提供する。サーキュレータ108は、出力ラインを逆に通過する雑音から増幅器102を保護する。例えば高電子移動度増幅器(HEMT)を含む追加の増幅器110は、信号対雑音比をさらに増加させるために使用されてもよい。ライン損失/ライン減衰は、要素112によって示される。図1に例示される回路は、異なるコンポーネントが動作する温度範囲を識別するために、破線によって別個の領域に分けられる。例えば、信号発生器104およびADC106は、室温(例えば、約300K)で動作され、増幅器110は、約4Kで動作され、超伝導体量子ビット/測定共振器100、TWPA102およびサーキュレータ108は、約20mKで動作される。そのような低温への冷却は、超伝導体材料が超伝導特性を示すことを可能にもし、デコヒーレンスにつながることもある熱変動を低減もする。
図2は、TWPA200の例、特にジョセフソン接合TWPAを示す回路図である。運動インダクタンスTWPA(それは、超伝導体の電流依存インダクタンスに頼る)などの、他のTWPAが、代わりに使用されてもよい。各X記号202は、ジョセフソン接合に対応する。図2に示されるように、TWPA200は、所定のインピーダンス(例えば、50オーム)を有する超伝導集中素子伝送ラインを構築するために、接地に結合されるシャントキャパシタ204とジョセフソン接合202を組み合わせる。ポンプトーンωpは、ωs + ωi = 2ωpとなるような周波数混合を介してポンプトーンωpを測定共振器からの信号ωsおよびアイドラトーンωiに結合するように、TWPA200の電流依存インダクタンスを調整する。アイドラトーンは、増幅プロセス中にエネルギーを節約するために増幅器200によって発生されてもよい。TWPAの導電性要素(例えば、キャパシタの電極)は、とりわけ、アルミニウム、ニオブ、または窒化チタンなどの、超伝導体材料から形成される。キャパシタおよびジョセフソン接合の誘電体は、例えば、酸化アルミニウム(例えば、Al2O3またはアモルファスシリコン)を含んでもよい。超伝導体TWPAは、集積回路製作のために用いられるのと同じまたは同様の処理技法(例えば、フォトリソグラフィ、スパッタリングまたは化学気相堆積などの材料堆積、およびエッチングまたはリフトオフなどの材料除去)を使用して製作されてもよい。TWPAの利得、帯域幅、およびダイナミックレンジは、非線形伝送ラインの結合モード方程式によって決定されてもよい。TWPAの動作および製作についてのさらなる詳細は、「Traveling wave parametric amplifier with Josephson junctions using minimal resonator phase matching」、T. C. White他、Applied Physics Letters、Vol. 106、242601-1頁〜242601-5頁(2015)において見出すことができ、それは、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
TWPAについてのポンプトーンが、結合器(例えば、図1に示される結合器101)を使用して信号ラインに注入されるとき、TWPAからの内部反射が、起こることもある。図3は、TWPA302に結合される量子ビット/測定共振器300の例を示す回路概略図である。図3に示されるように、ポンプ信号304は、結合器301においてTWPA302に誘導結合されてもよい。ポンプ信号は、増幅器動作を駆動するための駆動電圧または電流として理解されてもよい。ポンプ信号304は次いで、TWPA302に移動する。TWPA302から反射されかつ減衰された信号306は、しかしながら、量子ビット/測定共振器300に向かって後方へ放射される。反射ポンプトーン信号306は、読み出し共振器の周波数に似た周波数で伝搬するので、反射ポンプトーン信号306は、量子ビットと干渉し、量子ビット性能を実質的に劣化させることもある。例えば、反射信号306は、光子が量子ビットに追加されかつ/または準粒子を発生させる原因となることもあり、デコヒーレンスにつながる。サーキュレータが、反射信号306を阻止するためにTWPA302と量子ビット/測定共振器300との間に位置決めされてもよいが、サーキュレータは、測定信号をさらに劣化させる傾向があり、それは、本明細書で説明されるように、出力信号ラインによってすでに減衰されている。このさらなる劣化は、読み出し忠実度を制限することもある。さらに、サーキュレータは、かさばり、高価であり、超伝導体上を伝搬する信号と干渉することもある電磁場を放出する傾向がある。
量子ビット/測定共振器は、測定共振器と増幅器との間の出力信号ラインに周波数フィルタ(例えば、とりわけ、帯域通過フィルタ、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、または階段状インピーダンスフィルタ)を含むことによって、かつポンプトーン周波数が、フィルタのフィルタ周波数範囲の外側になるように、ポンプトーン周波数を変更することによって、反射増幅器ポンプトーンから保護することができる。このようにして、反射ポンプ信号は、周波数フィルタによって減衰させることができ、デコヒーレンスを引き起こすために量子ビットに達することはできない。さらに、周波数フィルタは、サーキュレータと比較して製作するのがより単純で、より安価であることもあり、システムの超伝導ライン上を伝搬する他の信号と干渉する電磁場を放出しない。
周波数フィルタは、例えば、パーセル帯域通過フィルタなどのフィルタを含んでもよい。一般に、パーセルフィルタは、測定共振器周波数におけるマイクロ波場の伝搬と比較して、量子ビット周波数において量子ビットから放出される光子の伝搬を妨げ、それ故に望まれない崩壊チャンネルを通じての量子ビットのエネルギー漏出を防止する。帯域通過フィルタは、例えば、測定読み出し共振器にわたって結合される4分の1波長(λ/4)または半波長(λ/2)コプレーナ導波路共振器として実施されてもよいが、他の共振器設計もまた、可能である。図4は、量子ビット404および測定共振器406と一緒の帯域通過フィルタ402の例となる配置を示す集中素子概略図である。量子ビットの測定共振器406は、キャパシタンスCk(401)を通じてフィルタ402に並列に結合されてもよく、量子ビットは、キャパシタンスCg(403)によって共振器406に接続されてもよい。別法として、フィルタと量子ビットと共振器との間の結合は、誘導性であってもよい。量子ビット404、共振器406およびフィルタ402にわたる電圧は、それぞれVq、Vr、およびVfである。単一量子ビットおよび単一測定共振器が、図4においてフィルタ402に結合されるが、複数の量子ビットおよび共振器は、フィルタの帯域幅が、異なる測定共振器周波数を受け入れるほどに十分大きいならば、フィルタに結合されてもよい。
図5は、複数の量子ビットおよび共振器に結合される帯域通過フィルタの例となる実施を示す概略図である。等価回路概略構造は、差し込み図に示される。図5に示される例では、4つの超伝導体トランズモン(transmon)量子ビット(504a、504b、504c、504d)およびそれらの対応する測定共振器(506a、506b、506c、506d)は、単一帯域通過フィルタ502に結合され、その場合帯域通過フィルタ502は、パーセルフィルタである。パーセルフィルタ502は、4分の1波長(λ/4)コプレーナ導波路共振器として実施されてもよい。しかしながら、例えば、半波長(λ/2)コプレーナ導波路共振器または集中幾何形状(lumped geometry)導波路を含む、他の実施が、代わりに使用されてもよい。超伝導体量子ビット504、共振器506およびフィルタ502は、集積回路製作のために用いられるのと同じまたは同様の処理技法(例えば、フォトリソグラフィ、スパッタリングまたは化学気相堆積などの材料堆積、およびエッチングまたはリフトオフなどの材料除去)を使用して製作される。フィルタ502の第1の端部508に形成されるキャパシタ(左側の差し込み図に示される拡大図)は、電圧アンチノードを確立し、一方距離λ/4における接地接続部510は、電圧ノードを課す。量子ビット504は、キャパシタンスCkを有してフィルタ502に容量結合されてもよくまたはフィルタ502に誘導結合されてもよい。パーセルフィルタ502は、測定共振器周波数が、フィルタの通過帯域内であるが、しかし量子ビット周波数が、そうでないように、設計されてもよい。フィルタ502の通過帯域の中心周波数は、f = c/λとして表されてもよく、ただしcは、媒体内での光の速度であり、λは、コプレーナ導波路の長さの4倍である。速度cは、単位長さ当たりのインダクタンスおよびキャパシタンスから決定されてもよい。帯域通過フィルタによって通される周波数の範囲は、帯域通過フィルタ構造に結合される外部ラインの結合強度に従って決定されてもよい。周波数フィルタは、図5に示される設計に限定されず、他の周波数フィルタ設計が、代わりに使用されてもよい。
図6は、図5に示されるデバイスレイアウトの例となる透過スペクトルS21のプロットである。図6に示されるように、量子ビット周波数602は、オフ共振であり、フィルタの通過帯域の外側であり、一方共振器周波数604は、フィルタの通過帯域内である。パーセルフィルタの動作および製作についてのさらなる情報は、「Fast Accurate State Measurement with Superconducting Qubits」、Jeffrey他、Phys. Rev. Lett. Vol. 112、190504-1頁〜190504-5頁(2014)において見いだすことができ、それは、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
図7は、周波数フィルタおよびTWPA増幅器の両方を含む例となる回路700を示す概略図である。特に、回路700は、量子ビット702、測定読み出し共振器704、帯域通過フィルタ706(例えば、パーセルフィルタ)、結合器708およびTWPA710(例えば、ジョセフソン接合TWPA)を含む。回路700はさらに、測定プローブ信号を測定共振器704に提供するための第1の波形発生器712およびポンプ信号をTWPA710に提供するための第2の波形発生器714を含む。TWPAからの出力は、ADC716に結合されてもよい。サーキュレータおよびTWPA710の下流の他の増幅器などの、追加の回路要素は、明確にするために図7から省略される。量子ビットおよびフィルタ706の各々は、測定共振器704の共通ノードに容量結合されてもよい。例えば、誘導性結合を含む、結合のための代替方法が、代わりに使用されてもよい。
回路700は、フィルタ706に結合される単一量子ビット702および測定共振器704だけを含むために図示されるが、複数の量子ビットおよび対応する測定共振器が、フィルタ706に結合されてもよい。量子ビット702は、トランズモン量子ビット、エックスモン(x-mon)量子ビット、またはフラックスモン(flux-mon)量子ビットなどの、超伝導量子ビットを含んでもよい。他の超伝導量子ビットが、同様に使用されてもよい。共振器704は、例えば、超伝導体材料から形成されるコプレーナ導波路共振器を含む。フィルタ706およびTWPA710はまた、本明細書で説明されるような超伝導体材料および誘電体(例えば、酸化アルミニウムおよび/またはアモルファスシリコン)から構築されてもよい。量子ビット702、測定共振器704、フィルタ706、結合器708およびTWPA710の各々は、同じシリコンまたはサファイアの基板またはウエハなどの、同じチップ上に形成され/集積されてもよく、それらが形成される超伝導材料の臨界温度を下回る温度で動作される。
回路700の動作中、第1の信号発生器712は、共振器704の状態依存周波数シフトを探査するために、プローブ信号を測定共振器704に提供する。共振器704の応答は、フィルタ706に結合されてもよく、次いでTWPA710に移動する。共振器信号が、TWPA710に移動されるのと同時に、第2の波形発生器714からのポンプ信号は、結合器708を通じて、TWPA710に結合されてもよい。共振器出力信号は次いで、TWPA710によって増幅され、ADC716に移動されてもよく、そこでデジタル化信号は、共振器704の状態依存位相シフトが、例えば、電子プロセッサによって抽出できるように、デジタル的に処理される。量子ビット702との干渉からの増幅器ポンプ反射を回避するために、TWPA710は、フィルタ706の通過帯域範囲の外側であるポンプ信号周波数を使用して動作されてもよい。フィルタ706の通過帯域範囲の外側の周波数を有するポンプ信号を用いてTWPA710を動作させることによって、フィルタ706は、ポンプトーンによって引き起こされるデコヒーレンスから量子ビット702を効果的に保護することができる。これは、TWPA710の帯域幅が、それがなおポンプトーンから遠く離れた測定信号を増幅することができるほどに十分大きいので、可能である。いくつかの実施では、最大利得が達成されるのを妨げる非理想的な性質が、超伝導TWPA710にある。非理想的な性質は、幾何形状共振器をTWPAラインに周期的に追加することによって補正されてもよく、その場合追加される共振器は、ポンプの位相を補正する。追加される共振器と関連する周波数は、固定され、TWPA710の中心周波数を設定する。TWPA710は、中心周波数が、帯域通過フィルタ706の通過帯域の外側に設定されてもよいが、しかしなお通過帯域内で十分な増幅を可能にするほどに十分な帯域幅を提供する。
図8は、図7に示される回路700についての透過スペクトルの例を示すプロットである。第1のライン802は、TWPA710の透過スペクトルに対応し、第2のライン804は、帯域通過フィルタ706の透過スペクトルに対応する。図8に見られるように、フィルタ706の通過帯域範囲806は、重なり合い、増幅器710のより大きい透過スペクトルの範囲内にある。それ故に、フィルタ706によって伝送される測定信号はまた、TWPA710によって増幅されることにもなる。量子ビットの動作周波数は、通過帯域範囲806の外側に位置し、従ってフィルタ706によって阻止される。同様に、ポンプトーン周波数808は、フィルタ706の通過帯域範囲806の外側に位置することもあるが、しかしなおTWPA710の大きい帯域幅内である。それに応じて、ポンプトーンはなお、増幅器710を駆動するために使用されてもよいが、しかし同じ周波数を有する反射ポンプトーンは、フィルタ706によって減衰されることになる。TWPA710の透過スペクトルに示されるノッチは、共振器の結果である。
ポンプトーンの周波数808は、周波数フィルタの上側カットオフ周波数を上回るまたは周波数フィルタの下側カットオフ周波数を下回ってもよい。カットオフ周波数は、フィルタのパワー出力が、通過帯域におけるパワーの所与の割合まで低下した周波数を上回るかまたは下回る周波数であってもよい。例えば、カットオフ周波数は、パワーが、通過帯域におけるパワーから3dB(または例えば10dB)低下する周波数として定義されてもよい。いくつかの実施では、ポンプトーンは、他の隔たりの中でも、少なくとも約10MHzだけ、少なくとも約50MHzだけ、少なくとも約100MHzだけ、少なくとも約150MHzだけ、少なくとも約300MHzだけ、少なくとも約500MHzだけ、または少なくとも約1GHzだけフィルタ706のカットオフ周波数から分離されてもよい。フィルタ706は、例えば、使用されている測定共振器および量子ビット周波数に応じて、様々な異なる帯域幅を有してもよい。例として、いくつかの実施では、フィルタ706は、他の範囲の中でも、約200MHz、400MHz、600MHz、800MHz、1GHz、1.2GHz、1.4GHz、1.6GHz、1.8GHzまたは2GHzの帯域幅を有してもよい。フィルタ706は、マイクロ波領域に周波数を有する信号について動作してもよい。増幅器710はまた、マイクロ波領域に周波数を有する信号について利得を提供するようにも動作し、ポンプトーン周波数808およびフィルタ706の通過帯域をカバーするのに十分大きい帯域幅を有する。例として、いくつかの実施では、TWPA710は、他の範囲の中でも、約400MHz、600MHz、800MHz、1000MHz、1.2GHz、1.4GHz、1.6GHz、1.8GHz、2GHzまたは2.2GHzの信号利得を提供するための帯域幅を有してもよい。
この明細書において述べられる量子主題および量子動作の実施は、この明細書において開示される構造およびそれらの構造的等価物を含む、適切な量子回路構成もしくはより一般的に量子計算システムにおいて、またはそれらの1つもしくは複数の組み合わせにおいて実施されてもよい。用語「量子計算システム」は、量子コンピュータ、量子情報処理システム、量子暗号システム、または量子シミュレータを含んでもよいが、しかしそれらに限定されない。
用語量子情報および量子データは、最小の重要な系が、量子ビット、例えば量子情報の単位を規定する系であるところの量子系によって運ばれ、その中に保持されもしくは記憶される情報またはデータを指す。用語「量子ビット」は、対応する文脈において二準位系として適切に近似されてもよいすべての量子系を包含すると理解される。そのような量子系は、例えば2つ以上の準位を有する、多準位系を含んでもよい。例として、そのような系は、原子、電子、光子、イオンまたは超伝導量子ビットを含んでもよい。多くの実施では、計算基礎状態は、基底状態および第1の励起状態を用いて識別されるが、しかしながら、計算状態がより高い準位の励起状態を用いて識別される他の設定が、可能であると理解される。量子メモリは、高い忠実度および効率を有して長い間量子データを記憶することができるデバイスであり、例えば、光が伝送のために使用される光-材料界面および重ね合わせまたは量子コヒーレンスなどの量子データの量子特徴を記憶し、保存するための材料であると理解される。
量子回路要素は、量子処理動作を行うために使用されてもよい。すなわち、量子回路要素は、非決定論的仕方でデータについての動作を行うために、重ね合わせおよびエンタングルメントなどの量子力学的現象を使用するように構成されてもよい。量子ビットなどの、ある量子回路要素は、1つよりも多い状態の情報について同時に表し、動作するように構成されてもよい。本明細書で開示されるプロセスを用いて形成されてもよい超伝導量子回路要素の例は、とりわけ、コプレーナ導波路、量子LC発振器、量子ビット(例えば、磁束量子ビットまたは電荷量子ビット)、超伝導量子干渉デバイス(SQUID)(例えば、RF-SQUIDまたはDC-SQUID)、インダクタ、キャパシタ、伝送ライン、接地平面などの回路要素を含む。
対照的に、古典的回路要素は一般に、決定論的仕方でデータを処理する。古典的回路要素は、データについて基本的な算術的、論理的、かつ/または入力/出力動作を行うことによってコンピュータプログラムの命令を集合的に実行するように構成されてもよく、その場合データは、アナログまたはデジタル形式で表される。いくつかの実施では、古典的回路要素は、電気的または電磁気的接続を通じて量子回路要素にデータを伝送しかつ/または量子回路要素からデータを受け取るために使用されてもよい。本明細書で開示されるプロセスを用いて形成されてもよい古典的回路要素の例は、高速単一磁束量子(RSFQ)デバイス、レシプロカル量子論理(RQL)デバイスおよび、バイアス抵抗器を使用しないRSFQのエネルギー効率の良いバージョンである、ERSFQデバイスを含む。他の古典的回路要素は、本明細書で開示されるプロセスを用いて同様に形成されてもよい。
本明細書で開示される回路要素などの、超伝導量子回路要素および/または超伝導古典的回路要素を使用する量子計算システムの動作中、超伝導回路要素は、超伝導体材料が超伝導特性を示すことを可能にする温度までクライオスタット内で冷却される。
この明細書は、多くの特定の実施詳細を含有するが、これらは、特許請求されるものの範囲への制限と解釈すべきでなく、むしろ特定の実施に特有のこともある特徴の記述と解釈すべきである。別個の実施の文脈においてこの明細書で述べられるある特徴はまた、単一の実施において組み合わせて実施されてもよい。逆に、単一の実施の文脈において述べられる様々な特徴はまた、多数の実施において別々にまたは任意の適切な副組み合わせにおいて実施されてもよい。その上、特徴は、ある組み合わせにおける行為として上で述べられ、そのようなものとして最初に特許請求されることさえあるが、特許請求される組み合わせからの1つまたは複数の特徴は、場合によってはその組み合わせから切り取られてもよく、特許請求される組み合わせは、副組み合わせにまたは副組み合わせの変形に向けられてもよい。
同様に、動作は、特定の順序で図面に描写されるが、これは、望ましい結果を達成するために、そのような動作が、図示される特定の順序でもしくは逐次的順序で行われること、またはすべての例示される動作が、行われることを必要とすると理解すべきでない。例えば、請求項に列挙される行動は、異なる順序で行われてもよく、なお望ましい結果を達成することができる。ある状況では、マルチタスキングまたは並列処理が、有利であることもある。その上、上で述べられた実施における様々なコンポーネントの分離は、すべての実施においてそのような分離を必要とすると理解すべきでない。
いくつかの実施が、述べられた。それにもかかわらず、様々な変更が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくなされてもよいと理解されることになる。例えば、帯域通過フィルタを使用する、様々な例が、本明細書で述べられる。しかしながら、他のタイプのフィルタの中でも、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、階段状インピーダンスフィルタなどの、他のフィルタが、代わりに使用されてもよい。本明細書で述べられる帯域通過フィルタと同様に、他のフィルタは、測定周波数における信号が通ることを可能にしながら、反射ポンプ信号を減衰させることができる。他の実施は、次に述べる請求項の範囲内である。
100 要素、量子ビット/測定共振器
101 結合器
102 TWPA、増幅器
104 信号発生器
106 アナログ/デジタル変換器、ADC
108 サーキュレータ
110 追加の増幅器
112 要素
200 TWPA、増幅器
202 X記号、ジョセフソン接合
204 シャントキャパシタ
300 量子ビット/測定共振器
301 結合器
302 TWPA
304 ポンプ信号
306 反射されかつ減衰された信号、反射ポンプトーン信号、反射信号
401 キャパシタンス
402 帯域通過フィルタ、フィルタ
403 キャパシタンス
404 量子ビット
406 測定共振器、共振器
502 帯域通過フィルタ、パーセルフィルタ、フィルタ
504 超伝導体量子ビット
504a 超伝導体トランズモン量子ビット
504b 超伝導体トランズモン量子ビット
504c 超伝導体トランズモン量子ビット
504d 超伝導体トランズモン量子ビット
506 共振器
506a 測定共振器
506b 測定共振器
506c 測定共振器
506d 測定共振器
508 フィルタの第1の端部
510 接地接続部
602 量子ビット周波数
604 共振器周波数
700 回路
702 量子ビット
704 測定読み出し共振器、測定共振器、共振器
706 帯域通過フィルタ、フィルタ
708 結合器
710 TWPA
712 第1の波形発生器、第1の信号発生器
714 第2の波形発生器
716 ADC
802 第1のライン
804 第2のライン
806 通過帯域範囲
808 ポンプトーン周波数

Claims (31)

  1. 量子ビットと、
    前記量子ビットに結合される読み出しデバイスであって、前記読み出しデバイスは、フィルタ周波数範囲を有する周波数フィルタを備え、前記周波数フィルタは、前記フィルタ周波数範囲の外側の信号の伝送を減衰させるように構成される、読み出しデバイスと、
    前記読み出しデバイスに結合される増幅器デバイスであって、前記増幅器デバイスは、前記周波数フィルタの前記フィルタ周波数範囲の外側であるポンプ周波数を有するポンプ信号を、結合器を介して受け取ると、前記読み出しデバイスから前記結合器を介して受信された測定信号を増幅するように構成され、前記周波数フィルタは、前記増幅器デバイスからの反射ポンプ信号を減衰させる、増幅器デバイスと、
    前記増幅器デバイスに結合され、前記ポンプ信号を前記増幅器デバイスに提供するように動作可能であるポンプ周波数発生器と
    を備える、量子計算デバイス。
  2. 前記ポンプ周波数は、少なくとも約10MHzだけ前記周波数フィルタの上側カットオフ周波数を上回るまたは前記周波数フィルタの下側カットオフ周波数を下回る、請求項1に記載の量子計算デバイス。
  3. 前記ポンプ周波数は、少なくとも約100MHzだけ前記周波数フィルタの上側カットオフ周波数を上回るまたは前記周波数フィルタの下側カットオフ周波数を下回る、請求項1に記載の量子計算デバイス。
  4. 前記周波数フィルタは、少なくとも3dBだけ前記ポンプ周波数における信号を減衰させるように動作可能である、請求項1に記載の量子計算デバイス。
  5. 前記周波数フィルタは、少なくとも10dBだけ前記ポンプ周波数における信号を減衰させるように動作可能である、請求項4に記載の量子計算デバイス。
  6. 前記増幅器デバイスは、進行波パラメトリック増幅器(TWPA)を備える、請求項1に記載の量子計算デバイス。
  7. 前記TWPAは、ジョセフソン接合TWPAを備える、請求項6に記載の量子計算デバイス。
  8. 前記TWPAは、運動インダクタンスTWPAを備える、請求項6に記載の量子計算デバイス。
  9. 前記読み出しデバイスは、測定共振器を備える、請求項1に記載の量子計算デバイス。
  10. 前記周波数フィルタの前記フィルタ周波数範囲は、前記測定共振器の動作周波数に重なる、請求項9に記載の量子計算デバイス。
  11. 前記量子ビットの動作周波数は、前記周波数フィルタの前記フィルタ周波数範囲の外側である、請求項10に記載の量子計算デバイス。
  12. 前記量子ビットおよび前記周波数フィルタの各々は、前記測定共振器の共通ノードに結合される、請求項9に記載の量子計算デバイス。
  13. 前記測定共振器は、第1のコプレーナ導波路共振器を備え、前記周波数フィルタは、第2のコプレーナ導波路共振器を備える、請求項9に記載の量子計算デバイス。
  14. 前記第2のコプレーナ導波路共振器は、半波長(λ/2)または4分の1波長(λ/4)コプレーナ導波路共振器を備える、請求項13に記載の量子計算デバイス。
  15. 基板をさらに備え、量子ビットデバイス、前記読み出しデバイスおよび前記増幅器デバイスは、前記基板上に集積される、請求項1に記載の量子計算デバイス。
  16. 前記読み出しデバイスと増幅器デバイスとの間にサーキュレータを備えない、請求項1に記載の量子計算デバイス。
  17. 前記周波数フィルタは、帯域通過フィルタを備える、請求項1に記載の量子計算デバイス。
  18. 前記周波数フィルタは、ローパスフィルタを備える、請求項1に記載の量子計算デバイス。
  19. 前記周波数フィルタは、ハイパスフィルタを備える、請求項1に記載の量子計算デバイス。
  20. 量子ビットの状態を測定する方法において、前記方法は、
    前記量子ビットの前記状態を示す測定信号を読み出しデバイスから作成するために、前記量子ビットに結合される前記読み出しデバイスにプローブ信号を適用するステップであって、前記読み出しデバイスは、フィルタ周波数範囲を有する周波数フィルタを備え、前記周波数フィルタは、前記フィルタ周波数範囲の外側の信号の伝送を減衰させる、ステップと、
    増幅器デバイスが、前記測定信号を増幅するように、結合器を介して前記測定信号を前記読み出しデバイスから受け取るために配置される前記増幅器デバイスに結合器を介してポンプ信号を伝送するステップであって、前記ポンプ信号は、前記フィルタ周波数範囲の外側であるポンプ周波数を有し、ポンプ周波数発生器が前記増幅器デバイスに結合され、前記ポンプ信号を前記増幅器デバイスに提供するように動作可能であり、前記周波数フィルタは、前記増幅器デバイスからの反射ポンプ信号を減衰させる、ステップと、
    前記増幅された測定信号を検出するステップとを含む、方法。
  21. 前記ポンプ周波数は、少なくとも約10MHzだけ前記周波数フィルタの上側カットオフ周波数を上回るまたは前記周波数フィルタの下側カットオフ周波数を下回る、請求項20に記載の方法。
  22. 前記ポンプ周波数は、少なくとも約100MHzだけ前記周波数フィルタの上側カットオフ周波数を上回るまたは前記周波数フィルタの下側カットオフ周波数を下回る、請求項20に記載の方法。
  23. 前記周波数フィルタは、少なくとも約3dBだけ前記ポンプ周波数における信号を減衰させる、請求項20に記載の方法。
  24. 前記周波数フィルタは、少なくとも約10dBだけ前記ポンプ周波数における信号を減衰させる、請求項23に記載の方法。
  25. 前記フィルタ周波数範囲は、前記測定信号の周波数に重なる、請求項20に記載の方法。
  26. 前記量子ビットの動作周波数は、前記フィルタ周波数範囲の外側である、請求項20に記載の方法。
  27. 前記フィルタ周波数範囲の帯域幅は、約200MHzである、請求項20に記載の方法。
  28. 前記周波数フィルタは、帯域通過フィルタを備える、請求項20に記載の方法。
  29. 前記周波数フィルタは、ローパスフィルタを備える、請求項20に記載の方法。
  30. 前記周波数フィルタは、ハイパスフィルタを備える、請求項20に記載の方法。
  31. サーキュレータが前記読み出しデバイスと増幅器デバイスとの間に結合されない、請求項20に記載の方法。
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