JP7060696B2 - チューナブル結合による量子ビットアセンブリの状態の制御 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０１８年２月１日に提出された米国特許出願第１５／８８６６０２号の優先権を主張し、その全体として本明細書に組み込まれる。

本発明は、政府の支援を受けて実施されたものである。政府は、本発明に一定の権利を有する。

本発明は、概して、量子計算システムに関し、より具体的には、量子ビットアセンブリの状態の管理に関する。

古典的コンピュータは、古典物理学の法則に従って、状態を変化させる情報のバイナリビットを処理することによって動作する。これらの情報ビットは、ＡＮＤおよびＯＲゲートなどの単純な論理ゲートを使用して、変更することができる。バイナリビットは、論理ゲートの出力で発生する高または低エネルギーレベルによって物理的に作成され、論理１（高電圧など）または論理０（低電圧など）のいずれかを表す。２つの整数を乗算するアルゴリズムなどの古典的アルゴリズムは、これらの単純な論理ゲートの長い文字列に分解することができる。古典的コンピュータと同様に、量子コンピュータもまた、ビットおよびゲートを有する。量子ビット（「ｑｕｂｉｔ」）は、論理１および０を使用する代わりに、量子力学を使用して、両方の可能性を同時に占める。この能力は、量子コンピュータが、古典的コンピュータよりも指数関数的に高い効率で、大規模な問題の類を解くことができることを意味している。

一例によれば、量子ビット装置が提供される。量子ビット装置は、負荷、量子ビット、および量子ビットを負荷に結合する複合ジョセフソン接合カプラを含む。結合コントローラは、量子ビットと負荷との間の結合が、量子ビットのリセットが所望されるときに第１の値となり、量子ビットの操作中に第２の値となるように、複合ジョセフソン接合カプラの結合強度を制御する。

別の例によれば、量子ビットを操作する方法が提供される。制御磁束の第１の値は、量子ビットが散逸要素から実質的に分離するように、量子ビットと散逸要素とをリンクするチューナブルカプラに提供される。量子演算は、量子ビットで実行される。制御磁束の第２の値は、量子ビットが散逸要素に結合するように、チューナブルカプラに提供される。量子ビットが、散逸要素に結合される一方、基底状態に緩和している間、リセット時間を経過させることができる。

さらなる例によれば、量子ビット装置が提供される。量子ビット装置は、実数部分がゼロにならないインピーダンスを有する回路要素を備える負荷と、量子ビットと、量子ビットを負荷に結合する複合ジョセフソン接合カプラと、を含む。結合コントローラは、量子ビットのリセットが所望されるときに、量子ビットと負荷の間の結合が第１の値になり、量子ビットと負荷の間の結合を強め、量子ビットの操作中には第２の値になるように、複合ジョセフソン接合カプラの結合強度を制御し、第２の値は量子ビットの負荷からの実質的な分離を表している。

本発明の一態様による量子ビットアセンブリの機能ブロック図を示す。 量子ビットの状態を読み取るための回路の一例の概略図を示す。 量子ビットと抵抗負荷との間の相互インダクタンスの変化を、縦軸にピコヘンリー単位で表し、制御磁束の関数として、横軸に磁束量子単位で表した折れ線グラフである。 量子ビットの予測緩和時間を、縦軸にナノ秒単位で対数的に表し、提供された制御磁束の関数として、横軸に磁束量子の単位で表した折れ線グラフである。 量子ビットの測定寿命Ｔ_１を、縦軸にマイクロ秒単位で対数的に表し、提供された制御磁束の関数として、横軸５０４に磁束量子の単位で表す折れ線グラフである。 励起パルス後の量子ビットの励起状態の数の変化を比較した折れ線グラフである。 量子ビットの操作方法の一例を示す。

固体量子ビット（「ｑｕｂｉｔ」）は、半導体量子ドット、ＳＱＵＩＤ、または他の超伝導デバイスなどのオブジェクトにおける巨視的自由度の量子化励起の情報をエンコードする。どの量子コンピュータでも、量子ビットを高い忠実度で既知の状態に初期化することが望ましい。一部のアーキテクチャでは、計算の間ずっと物理量子ビットを再利用することができるので、アプリケーションはリセット動作の速度に鋭敏に反応する。本発明の一態様によれば、固体量子ビットは、システムを高い忠実度で既知の状態に初期化する能力を有しており、これは本明細書では量子ビットの「リセット」と称されるプロセスである。一実施態様では、量子ビットは、基底状態で初期化される。関連するプロセスとしては、量子ビットからの不要な熱励起の除去がある。このプロセスでは、本明細書で量子ビットの「冷却」と称されるが、量子ビットの励起状態の数は、熱レベル未満に減少する。

本開示は、一般に超伝導回路に関し、より詳細には、量子ビットをチューナブルカプラを介して散逸環境に結合し、量子ビットの選択的なリセットまたは冷却を可能にする高速リセットまたは冷却スキームに関する。量子ビットを、アルゴリズムで再利用することが望ましい場合が多く、これは、基底状態で量子ビットを初期化する効率的な方法で迅速化される。量子ビットは長い寿命も望ましいので、量子ビットの寿命が来るのを待って、量子ビットを自然に減衰させるのは困難である。したがって、量子ビットを迅速に初期化できる量子ビットのリセット方法が提供されるが、操作中に量子ビットの寿命に悪影響を及ぼすことはない。外部バイアスは、量子ビットと環境との間の結合を調整し、量子ビットが環境から分離される時点でバイアスはアイドル状態となり、量子ビットの寿命を維持する。量子ビットをリセットすることが望ましい場合、外部バイアスの高速直流パルスを使用して、カプラを活性化する。

図１は、本発明の一態様による、量子ビットアセンブリ１００の機能ブロック図を示している。量子ビットアセンブリ１００は、チューナブルカプラ１０６を介して、散逸要素１０４に結合された量子ビット１０２を備える。量子ビット１０２は、制御機構（図示せず）に応答して、チューナブルな複数のエネルギー状態を有するいずれかの物理的アセンブリを含むことができる。例えば、量子ビットセルは、コンデンサの電界、インダクタの磁界、および１つ以上の超伝導ジョセフソン接合のいずれかの組み合わせの間でエネルギーを転送できる発振器として実施することができるので、量子ビットセルは、電荷量子ビット、磁束量子ビット、および位相量子ビットのうちの１つ以上を含むことができる。量子ビットセルの例示的な実施態様には、ジョセフソン接合、量子ドット、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉デバイス）、クーパーペアボックス、およびイオントラップのうちの１つ以上が含まれ得る。「結合された」という用語は、導電体による機械的結合などの物理的結合の手段だけでなく、容量性、誘導性、磁気、核、および光結合を含む他の適切な結合手段、または前記のいずれかの組み合わせを包含することが意図されていることがさらに認識されるであろう。

チューナブルカプラ１０６は、散逸要素１０４から量子ビット１０２を選択的に分離するいずれかの適切な構造を含むことができる。一実施態様では、チューナブルカプラは、小さなインラインＤＣ－ＳＱＵＩＤを有するＲＦ－ＳＱＵＩＤであり、これは複合ジョセフソン接合（ＣＪＪ）として知られ、２つの要素１０２と１０４との間のチューナブル相互インダクタンスとして機能する。カプラの磁化率は、ＲＦ－ＳＱＵＩＤの主インダクタまたはＣＪＪに磁束を印加することで調整できる。このカプラ１０６を使用して、チューナブル相互インダクタンスをその場で変更することができる。チューナブルカプラ１０６は、複合ジョセフソン接合の結合強度を制御する結合コントローラ１０８を介して、制御することができる。例えば、結合コントローラ１０８は、量子ビット１０２と散逸要素１０４との間の強い結合を表す第１の値、例えば、２０～４５０ピコヘンリーの相互インダクタンスと、ゼロに近い相互インダクタンスのような、散逸要素からの量子ビットの実質的な分離を表す第２の値との間で、チューナブルカプラ１０６における相互結合を調整することができる。結合コントローラ１０８は、単一磁束量子（ＳＦＱ）論理（例えば、逆量子論理（ＲＱＬ）論理）、および／または従来の論理を利用することができる。一実施態様では、カプラ制御ライン（図示せず）を介して、１つ以上の高速直流パルスを印加して、カプラをオンにし、量子ビットをリセットすることができる。量子ビットの操作中、カプラは直流バイアスされ、結合がほぼゼロである状態に保持される。これにより、量子ビットの寿命に望ましくない悪影響を与えることなく、量子ビット１０２を基底状態に迅速に制御可能にリセットすることができる。

一実施態様では、散逸要素１０４は、回路要素を備えることができ、これは本明細書では負荷と称され、量子ビットと散逸要素との間の相互結合が強いときに、量子ビット１０２に蓄積されたエネルギーを受け取る。本質的に、量子ビット制御１０８は、量子ビット１０２を調整して、関連する量子状態をチューナブルカプラ１０６に沿って放出し、それを回路要素に提供することができる。そのような場合、散逸要素１０４は、実数部分がゼロにならないインピーダンスを有するいずれかの要素を備えることができ、これに単一の光子入力を提供することが望ましい。例えば、該回路要素は、増幅器、検出器、ファイバカプラ、光変調器、ビームスプリッタ、または同様の構成要素であり得る。量子ビットアセンブリ１００は、共振器、他の量子ビット、または図示された量子ビットアセンブリの高速冷却およびリセット構成を有する他の量子ビットアセンブリと共に使用することができることがさらに認識されるであろう。

図２は、量子ビットの状態を読み取る回路２００の一例の概略図を示す。回路２００は、トランスモン量子ビット２１０と、読み出し共振器２１４と、フィードライン２１６と、伝送ライン２１８と、抵抗負荷２１９と、およびチューナブル複合ジョセフソン接合（ＣＪＪ）カプラ２２０とを含み、該カプラは、無線周波数（ＲＦ）超伝導ＳＱＵＩＤを形成するためにＣＪＪ２２２によって遮断された超伝導ループを備える。チューナブル複合ジョセフソン接合（ＣＪＪ）カプラ２２０は、ガルバニック接続を介して、量子ビット２１０に相互インダクタンスＭ_ｑを提供する超電導ループ内の第１のインダクタ２２４と、ガルバニック接続を介して、抵抗負荷２１９につながる伝送ライン２１８に相互インダクタンスＭ_ｒを提供する第２のインダクタ２２６とを含む。図示された実施態様では、ＣＪＪ２２２は、２つの同一のジョセフソン接合２２８および２２９を含む。

磁束Φ_αは、制御ライン２３２に電流を印加することにより、ＣＪＪ２２２に印加され、制御ライン上のバイアスティー２３４を利用して、直流およびパルス信号の両方をカプラに印加することが可能である。制御ライン２３２に提供される電流は、ＣＪＪ２２２の接合部２２８および２２９が同一の場合には、超電導ループに電流を発生させないので、このラインに起因する散逸から量子ビット２１０が保護される。カプラは実効相互インダクタンス

を表し、ここで

は、カプラの磁化率である。磁化率は、ＣＪＪ２２２に印加される磁束の関数であり、次のように表すことができる。

ここで、Ｌ_ｃｏは、カプラの幾何学的総インダクタンス、

、Φ_０は、約２．０７フェムトウェーバーに等しい磁束量子、およびＩｃは、ＣＪＪ ２２２内の２つの接合部の合計臨界電流であるとする。

制御ライン２３２を使用して、量子ビット２１０と抵抗負荷２１９との間の実効相互インダクタンスＭ_ｅｆｆを調整し、量子ビット状態を選択的にリセットすることができる。量子ビットの寿命は、この相互インダクタンスの関数であるため、Ｍ_ｅｆｆ＝０を設定することで量子ビットを環境から分離し、Ｍ_ｅｆｆを高めることでリセットを行う。量子ビット寿命Ｔ_１の依存性は、バイアスΦ_αをカプラに印加した状態において、数式２で理解される。

ここで、Ｃ_ｑは、量子ビット２１０の静電容量を表し、Ｌ_ｑは、量子ビットのインダクタンスを表し、Ｚ_０は、抵抗負荷２１９などの散逸要素のインピーダンスを表す。

図３は、ビット２１０と抵抗負荷２１９との間の相互インダクタンスの変化を、縦軸３０２上でピコヘンリーで表し、ＣＪＪ２２２に提供される制御磁束の関数として、横軸３０４上で磁束量子の単位で表す折れ線グラフ３００である。図３に示されるモデルのために、Ｍ_ｑは、１００ピコヘンリーであるとする。描画線３０６から、Φ_α＝Φ_０／２における結合は、

が０になるため、ゼロであることが分かる。Φ_０／２＜Φ_α＜Φ_０の場合、

は負の値をとり、最終的にはΦ_α＝０の時よりも、絶対的にはるかに大きくなる。一実施態様では、この大きな負の結合を利用して、絶対結合強度を強化することができる。量子ビット２１０上でゲート演算が行われると、量子ビットが制御負荷２１９から分離され、量子ビットの寿命が短くならないように、制御磁束Φ_α＝Φ_０／２を提供して、カプラ２２０をオフにする。リセットのため、制御磁束Φ_αがΦ_０に上昇するように、電圧パルスをバイアスティー２３４におけるＩ_αラインに印加するので、カプラ２２０はオンになる。バイアス線上のコンデンサの影響を減らすために、読み出しに続いて、Ｉ_α線に等しい大きさの負のパルスが印加される。

図４は、量子ビット２１０の予測緩和時間を、縦軸４０２上にナノ秒単位で対数的に表し、ＣＪＪ２２２に提供される制御磁束の関数として、磁束量子の単位で横軸４０４上に表す折れ線グラフ４００である。図４に示すモデルのため、Ｍ_ｑは１００ピコヘンリー、量子ビットの基底から励起への遷移のエネルギーは９ＧＨｚ、抵抗負荷のインピーダンスは５０Ω、および量子ビットの静電容量は６０ｆＦとする。描画線４０６から、緩和時間がΦ_α＝Φ_０／２およびΦ_α＝３Φ_０／２で最大化されており、ここでは量子ビット２１０と散逸要素との間の結合が最小化されていることが分かる。緩和時間は、Φ_α＝Φ_０で最小化され、ここで結合は最大化される。

図５は、量子ビット２１０の測定寿命Ｔ_１を、縦軸５０２にマイクロ秒で対数的に表し、ＣＪＪ２２２に提供される制御磁束の関数として、磁束量子の単位で横軸５０４に表す折れ線グラフ５００である。描画線５０６から、量子ビット２１０が散逸要素から分離したときに、２．２μｓの最大寿命となり、リセット中には２ｎｓの最小寿命となることが分かる。したがって、この具体的な実施態様では、量子ビットの寿命は約１０００分の１に短縮されるが、実施態様によっては、寿命を５００～５０００分の１に短縮することができる。この方法は、２０ｎｓ未満において、少なくとも９９．９％の忠実度で量子ビット２１０をリセットすることが可能であると思われる。

提案したデバイスは、読み出し信号における低周波ドリフトの影響を低減することを目的とする４フレーム測定で試験された。１つのフレームは、単純なＴ_１減衰であり、ここで量子ビット２１０にπパルスが印加され、測定前にある程度の時間を経過させることができた。これは、以下の図６において、「リセットなし」の場合と称される。２つ目は、πパルスが印加されていないときの量子ビットの測定で、測定前にある程度の時間を経過させることができた。第３のフレームでは、量子ビット２１０にはπパルスが印加され、測定前しばらくの間、Φ_α＝Φ_０を設定するリセットカプラにパルスが印加された。これは、以下の図６において、「リセット」の場合と称される。第４のケースでは、量子ビットは励起されなかったが、リセットカプラにパルスが印加されたままであった。リセット／待機時間を３．５ｎｓに設定した場合の４つのフレームの１００万個のサンプルについて、読み出し共振器フィードラインを通過する統合送信信号の大きさを測定した。リセット信号は、誤差関数プロファイルで１ｎｓのターンオンとターンオフを有していたので、すべての測定の最短遅延は２ｎｓであり、この２ｎｓはリセット／待機時間に含まれている。

測定は高出力読み出しを用いて実行されたため、読み出し共振器の明状態の動作により、測定値は２つの分布に分かれ、一方の分布における「明状態のカウント数」は、１＞状態数の測定を表している。予想されるように、明状態のカウント数は、励起パルスが量子ビットに印加されたときに最も高くなったが、励起パルスが量子ビットに印加されていない場合でも、「明状態」の分布においていくつかのカウント数があり、励起もリセットもないフレームで得られた数は、以下で使用される差分測定の基準値になることに留意されたい。リセットにより、量子ビット２１０が励起されたときに、明状態のカウント数が大幅に減少し、非励起の場合の分布のピークもわずかに減少する。

図６は、励起パルス後の量子ビットの励起状態の数の変化を比較する折れ線グラフ６００である。縦軸６０２は、対数目盛上で、励起状態の部分分布を表し、横軸６０４は、対数目盛上で、ナノ秒単位の時間を表す。第１の描画線６０６は、リセットされない場合を表し、第２の描画線６０８は、リセットされた場合を表す。各場合のデータは、リセットなしの測定と、リセット時間１００ｎｓの励起なしリセット測定との間の差に正規化される。リセット曲線は、測定のノイズフロアに対して１０ｎｓ減衰し、Ｔ_１が２ｎｓに等しくなると予想されることが認識されるであろう。残念ながら、測定上のノイズは、リセット時間＞１０ｎｓで一部の測定値が０．１％を下回るが、データのばらつきにより、約０．５％のエラーバーが得られる。

前述の構造的および機能的特徴を考慮して、例示的な方法は、図７を参照してより良好に認識されるであろう。説明を簡単にする目的で、図７の例示的な方法は、連続的に実行されるように示され、説明されているが、いくつかの行動は、他の例では、異なる順序で、複数回、および／または本明細書に示され、説明されているものと並行して起こり得るので、本例は、図示されている順序によって制限されないことが理解および認識されるであろう。さらに、方法を実施するために、説明されているすべての動作を実行する必要はない。

図７は、量子ビットを操作する方法７００の一例を示す。７０２において、量子ビットが散逸要素から実質的に分離するように、制御磁束の第１の値が、量子ビットと散逸要素とをリンクするチューナブルカプラに提供される。一例では、チューナブルカプラは、複合ジョセフソン接合によって遮断された超伝導ループを含み、制御磁束の第１の値は、複合ジョセフソン接合に提供される。７０４において、量子演算が量子ビットで実行される。７０６において、量子ビットが散逸要素に結合するように、制御磁束の第２の値が、チューナブルカプラに提供される。一実施態様では、制御磁束の第１の値は、磁束量子の半分に実質的に等しく、制御磁束の第２の値は、磁束量子の半分より大きく、磁束量子以下である。制御磁束の第２の値を選択して、量子ビットと散逸要素との間に強い負の結合を提供することができる。７０８において、量子ビットが散逸要素に結合する一方、基底状態に緩和する間、リセット時間を経過させることができる。リセット時間は、５ｎｓ～２０ｎｓであり、一実施態様では、実質的に１０ｎｓに等しいリセット時間を使用することができる。

上記は例である。もちろん、構成要素または手法の考えられるすべての組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、多くのさらなる組み合わせおよび順列が可能であることを認識するであろう。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲を含め、本願の範囲内にあるそのようなすべての変更、修正、および変形を包含することを意図している。本明細書で使用される際、「含む」という用語は、含むが、それに限定されないことを意味し、「含んでいる」という用語は、含んでいるが、それに限定されないことを意味する。「に基づく」という用語は、少なくとも部分的に基づくことを意味する。さらに、開示または特許請求の範囲で、「ａ」、「ａｎ」、「第１」、または「別の」要素、またはそれらと同等のものが挙げられる場合、それは、１つ以上のそのような要素を含むと解釈されるべきであり、２つ以上のそのような要素を必要とするものでも、排除するものでもない。

Claims (13)

1. 量子ビット装置であって、
   負荷と、
   量子ビットと、
   前記量子ビットを前記負荷に結合する複合ジョセフソン接合カプラであって、前記複合ジョセフソン接合カプラが、複合ジョセフソン接合によって遮断された超伝導ループを備え、かつ、相互インダクタンスを前記量子ビットに提供する第１のインダクタ、および、相互インダクタンスを前記負荷につながる伝送ラインに提供する第２のインダクタを備える、複合ジョセフソン接合カプラと、
   前記量子ビットと前記負荷との間の結合強度が、前記量子ビットのリセットが所望されるときに第１の値であり、前記量子ビットの操作中に第２の値であるように、前記複合ジョセフソン接合カプラの結合強度を制御する結合コントローラと、
   を備える、装置。
2. 前記結合強度の第１の値が、前記量子ビットと前記負荷との間の強い結合を表し、前記結合強度の第２の値が、前記量子ビットの前記負荷からの実質的な分離を表す、請求項１に記載の装置。
3. 前記結合強度の第１の値が、２０乃至４５０ピコヘンリーの大きさを有する、前記量子ビットと前記負荷との間の相互インダクタンスを表し、前記結合強度の第２の値が、ゼロに等しい前記量子ビットと前記負荷との間の相互インダクタンスを表す、請求項２に記載の装置。
4. 前記結合強度の第１の値が、前記量子ビットと前記負荷との間の強い負の相互インダクタンスを表す、請求項２に記載の装置。
5. 前記結合コントローラが、制御磁束を前記複合ジョセフソン接合カプラに提供し、少なくとも１つの制御ラインを介して前記結合強度を制御する、請求項１に記載の装置。
6. 前記少なくとも１つの制御ラインが、前記複合ジョセフソン接合に前記制御磁束を提供する第１の制御ラインを備える、請求項５に記載の装置。
7. 前記負荷が、実数部分がゼロにならないインピーダンスを有する回路要素を備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記量子ビット、前記複合ジョセフソン接合カプラ、および前記負荷の各々が、前記量子ビットと前記負荷との間の結合が前記第１の値であるときに、前記量子ビットが第１の寿命を有し、前記量子ビットと前記負荷との間の結合が前記第２の値であるときに、前記量子ビットが第２の寿命を有し、前記第２の寿命が、前記第１の寿命よりも５００と５０００との間の倍数だけ短いように構成される、請求項１に記載の装置。
9. 量子ビットを操作するための方法であって、
   前記量子ビットが散逸要素から分離されるように、制御磁束の第１の値を、前記量子ビットおよび前記散逸要素をリンクするチューナブルカプラに提供することであって、前記チューナブルカプラが、複合ジョセフソン接合によって遮断された超伝導ループを備え、かつ、相互インダクタンスを前記量子ビットに提供する第１のインダクタ、および、相互インダクタンスを前記散逸要素につながる伝送ラインに提供する第２のインダクタを備えることと、
   前記量子ビットで量子演算を行うことと、
   前記量子ビットが前記散逸要素に結合されるように、前記制御磁束の第２の値を、前記チューナブルカプラに提供することと、
   前記量子ビットが前記散逸要素に結合される間に、リセット時間を経過させることと、
   を含む、方法。
10. 前記制御磁束の第１の値が、磁束量子の半分に等しく、前記制御磁束の第２の値が、前記磁束量子の半分よりも大きく、かつ前記磁束量子より小さいかまたは等しい、請求項９に記載の方法。
11. 前記チューナブルカプラに前記制御磁束の第１の値を提供することが、前記複合ジョセフソン接合に前記制御磁束の第１の値を提供することを含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記制御磁束の第２の値が、前記量子ビットと前記散逸要素との間に強い負の相互インダクタンスを提供する、請求項９に記載の方法。
13. 前記リセット時間が、５ナノ秒と２０ナノ秒との間にある、請求項９に記載の方法。

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